模塊化散熱源裝置及具有該裝置的熱阻測試系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種模塊化散熱源裝置，該散熱源裝置包括散熱源模塊、散熱源壓板，散熱源模塊通過散熱源壓板固定在散熱器基板上，散熱源模塊包括二極管壓板、導熱板和N個二極管，其中N為偶數；二極管通過二極管壓板固定在導熱板上，其關于導熱板的橫向中心線上下對稱，關于導熱板的縱向中心線左右對稱，二極管串聯并與外接電源組成一回路；導熱板底面與散熱器基板之間設有一界面材料層，導熱板的橫向中心線、縱向中心線分別與散熱器基板的橫向中心線、縱向中心線重合。本實用新型不但可以準確地得到散熱器的熱阻值，而且適用于各種散熱器的熱阻測試。
【專利說明】模塊化散熱源裝置及具有該裝置的熱阻測試系統
【技術領域】
[0001]本實用新型與電力電子控制裝置中的散熱測試技術有關，具體涉及一種用于散熱器熱阻測試的模塊化散熱源裝置、具有該裝置的熱阻測試系統。
【背景技術】
[0002]在電力電子控制器產品的開發和應用中，熱阻作為評估散熱器散熱能力的重要參數，一直以來都是業內關注和評估的對象。在電力電子控制器中，水冷板是一種通用的核心部件，它的熱阻測試也是水冷板散熱性能研究的關鍵，既可以評估水冷板結構設計的優劣，又可以優化水冷板散熱的相關參數。
[0003]目前，水冷板的熱阻值主要以間接測量為主，通過測試得到芯片結到冷卻液的熱阻，減去芯片結到殼體的熱阻，而求得水冷板的熱阻，具體可參考《Transient DualInterface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction toCase of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path》, 2010年 11 月出版，JEDEC Solid State Technology Association, JESD51-14。由于芯片結到殼體的熱阻難以準確測得，因此間接測量得到的水冷板熱阻值與實際值存在一定的偏差。
[0004]此外，相關文獻中提到的水冷板熱阻的直接測量方法主要是在水冷板上打孔或者挖槽來布置熱電偶，檢測水冷板上表面的溫度。但是，這種在水冷板上打孔或者挖槽的方法操作較為復雜，并且存在泄漏的風險，而且孔和槽的存在會在一定程度上影響散熱，從而影響熱阻測試的結果。
實用新型內容
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種模塊化散熱源裝置及具有該裝置的熱阻測試系統，不但適用于各種水冷板的熱阻測試，而且可以準確地得到水冷板的熱阻值。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型提供的模塊化散熱源裝置，包括散熱源模塊、散熱源壓板，所述散熱源模塊通過散熱源壓板固定在散熱器的基板上，所述散熱源模塊包括二極管壓板、導熱板和N個二極管,其中N為偶數；
[0007]二極管，通過二極管壓板固定在導熱板上，其關于導熱板的橫向中心線上下對稱，關于導熱板的縱向中心線左右對稱，所述二極管依次串聯并與外接電源組成一回路；
[0008]導熱板，其橫向中心線與散熱器基板的橫向中心線重合，縱向中心線與散熱器基板的縱向中心線重合。
[0009]優選的，所述二極管的數量為大于等于6的偶數。
[0010]優選的，所述二極管分為兩排，且關于導熱板的橫向中心線上下對稱。
[0011]較佳的，所述導熱板的底面與散熱器的基板之間設有一界面材料層。優選的，界面材料層的厚度小于0.1mm。
[0012]其中，所述散熱器為水冷式散熱器，散熱器的基板為水冷板，所述散熱源模塊固定在水冷板上。或者，所述散熱器為風冷式散熱器，其包括風冷基板和若干翅片，所述散熱源模塊固定在風冷基板上。
[0013]在上述結構中，二極管與導熱板之間設有導熱絕緣墊片，二極管壓板和二極管之間設有第二絕緣泡沫層，散熱源壓板和二極管壓板之間設有第一絕緣泡沫層，散熱源壓板上安裝有線束固定架。
[0014]本實用新型還提供一種具有模塊化散熱源裝置的熱阻測試系統，包括散熱源模塊、散熱源壓板和熱電偶，所述散熱源模塊通過散熱源壓板固定在散熱器的基板上，所述散熱源模塊包括二極管壓板、導熱板和N個二極管，其中N為偶數；
[0015]二極管，通過二極管壓板固定在導熱板上，其關于導熱板的橫向中心線上下對稱，關于導熱板的縱向中心線左右對稱，所述二極管依次串聯并與外接電源組成一回路；
[0016]導熱板，其底面與散熱器基板之間設有一界面材料層，所述導熱板的橫向中心線與散熱器基板的橫向中心線重合，縱向中心線與散熱器基板的縱向中心線重合；
[0017]熱電偶，數量為N個，每個二極管的空腳PIN處靠近的導熱板上表面設有一個熱電偶。
[0018]優選的，所述二極管的數量為大于等于6的偶數。
[0019]進一步的，每個二極管的輸出端設有熱電偶，用于監測二極管結溫是否超過最大允許溫度。
[0020]優選的，所述導熱板的上表面還設有兩個參考熱電偶，所述兩個參考熱電偶在橫向方向上分別位于N個熱電偶的兩側。
[0021]本實用新型的有益之處在于:
[0022]I)散熱源模塊以及導熱板對稱分布于PIN FIN段的水道上，易于均勻散熱，而且二極管對稱分布在導熱板上，使熱量能夠在導熱板上均勻擴散；
[0023]2)熱電偶布置在導熱板的上表面上，并且靠近二極管的芯片位置，在不影響水冷板散熱以及避免泄漏的前提下，可以直接通過熱電偶獲得導熱板上表面的溫度，準確地算出導熱板到冷卻液的熱阻值，進而通過計算獲得水冷板的熱阻值；
[0024]3)散熱源模塊的輸出功率最高可達600W，與電力電子控制器單個功率模塊的最大導通損耗保持一致，且散熱源模塊與單個功率模塊的散熱面積相同，裝配位置相同，因此該散熱源模塊可用于模擬現有功率模塊的發熱情況；
[0025]4)散熱源裝置以及測試系統、測試方法通用性強，適用范圍廣，可用于各種電力電子控制器不同水冷板的熱阻測試。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本實用新型的模塊化散熱源裝置的分解示意圖；
[0027]圖2是本實用新型中熱阻測試的總散熱路徑的示意圖；
[0028]圖3是本實用新型的熱阻測試系統的熱電偶分布示意圖；
[0029]圖4是本實用新型的熱阻測試電路圖。
[0030]其中附圖標記說明如下:
[0031]I為線束固定架；2為散熱源壓板；3為第一絕緣泡沫層；4為二極管壓板；5為第二絕緣泡沫層；6為二極管；7為導熱絕緣墊片；8為導熱板；9為水冷板；10為界面材料層。【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0033]本實用新型提供的一種模塊化散熱源裝置，適用于電力電子控制器中水冷板散熱器以及風冷式散熱器(包括風冷基板和若干翅片)的熱阻測試，如圖1所示，該散熱源裝置包括散熱源模塊、散熱源壓板2，其中散熱源模塊通過散熱源壓板2固定在水冷板9或風冷基板上，所述散熱源模塊包括二極管壓板4、導熱板8和N個二極管6，其中N為偶數；
[0034]二極管6通過二極管壓板4固定在導熱板8上，其關于導熱板8的橫向中心線上下對稱，關于導熱板8的縱向中心線左右對稱，使熱量能夠在導熱板8上均勻擴散，所述二極管6依次串聯并與外接電源組成一回路，如圖4所示；
[0035]導熱板8的橫向中心線與水冷板9或風冷基板的橫向中心線重合，縱向中心線與水冷板9或風冷基板的縱向中心線重合，易于在水冷板9或風冷基板上均勻散熱。優選的，導熱板8的底面與水冷板9或風冷基板之間設有一界面材料層10，其材料為導熱脂，該界面材料層10的厚度小于0.1mm，其均勻地分布在導熱板8的底面，用于減小導熱板與水冷板或風冷基板的接觸熱阻。
[0036]在本實施例中，以6個二極管為例，所述二極管分為兩排，每排三個二極管，兩排二極管6關于導熱板8的橫向中心線上下對稱，同時關于導熱板8的縱向中心線左右對稱。當然，在滿足測試要求的情況下，二極管的數量也可以為2個、4個或者8個等等，只要二極管的分布關于導熱板8的橫向中心線上下對稱，且關于導熱板8的縱向中心線左右對稱即可。
[0037]此外，二極管6與導熱板8之間設有導熱絕緣墊片7，用于為二極管6絕緣并很好地將熱量從二極管6傳至導熱板8。二極管壓板4和二極管6之間設有第二絕緣泡沫層5，通過控制第二絕緣泡沫層5的壓縮量可以提供適當的預緊力壓緊二極管6。散熱源壓板2和二極管壓板4之間設有第一絕緣泡沫層3，通過第一絕緣泡沫層3的壓縮量可以提供適當的預緊力壓緊散熱源模塊。`
[0038]散熱源壓板2上安裝有線束固定架1，用于固定二極管6的輸入線纜，防止線纜在電路運行過程中脫落。
[0039]本實用新型還提供一種具有所述模塊化散熱源裝置的熱阻測試系統，在上述模塊化散熱源裝置的基礎上，該系統增加了 N個熱電偶，每個二極管6的空腳PIN處靠近的導熱板8上表面(圖3中位置B、C、D、F、G、H)設有一個熱電偶，如圖3所示，。
[0040]每個二極管6的輸出端(圖3中的位置1-6)設有熱電偶，用于監測二極管結溫是否超過最大允許溫度。所述導熱板的上表面還設有兩個參考熱電偶，所述兩個參考熱電偶在橫向方向上分別位于N個熱電偶的兩側，即圖3中的位置A和位置E。
[0041]以水冷板散熱器為例，進行熱阻測試時模塊化散熱源裝置的總散熱路徑如圖2所示，其中包含:
[0042]I) 二極管結到二極管底板表面的熱阻Rthametira^ease)；
[0043]2) 二極管底板與導熱絕緣墊片7的接觸熱阻Rthw_pad)；
[0044]3)導熱絕緣墊片7自身的熱阻Rth(pad)；
[0045]4)導熱絕緣墊片7到導熱板8的接觸熱阻Rth(pad_ plate)；
[0046]5)導熱板8自身的熱阻Rth
(copper plate) ?[0047]6)界面材料層10自身的熱阻Rth(tim)；
[0048]7)水冷板9自身的熱阻Rth(coolert) ；
[0049]8)水冷板9與冷卻液的表面換熱熱阻Rth(cooler - coolant) ;
[0050]其中，導熱板到冷卻液的熱阻值Rth (copper plate-coolant)
為測試得到的結果(即圖2中大括號中的熱阻值之和)，其包括 Rth(e_OT Piate) > Rth(tim), Rth (cooler)Rth(cooler _ coolant) ο
[0051]利用前述散熱源裝置進行熱阻測試的方法，以6個二極管和水冷板散熱器為例，包括以下步驟:
[0052]1)在導熱板8的上表面上設置6個熱電偶，如圖3所示，每個熱電偶對應位于一個二極管6的空腳PIN處，即圖3中的位置B、C、D、F、G、H，采集導熱板8上不同位置的溫度
T1、 τ2、......T6 ；
[0053]2)測量每個二極管6的輸入端與輸出端之間的電壓值％、V2、……V6;
[0054]3)根據以下公式計算水冷板9的熱阻值Rth(tim__lant)，其包括界面材料層自身的熱阻值Rth(tim)、水冷板自身的熱阻值Rth(_ler1、水冷板與冷卻液的表面換熱熱阻值Rth(_le,_
coolant)-'工頁 ?
[0055]P=I X (V1 + V2 +......+ V6);
[0056]Ticopper piate) = (T^T2 +......+ T6)/6 ；
[0057]Rth(copper plate-coolant) ^ (copper plate) ^ (coolant) ^ ^ ;
[0058]Rthicopper plate)=L/(A XA)；
[0059](tim-coolant)(copper plate-coolant)(copper plate);
[0060]其中，P為二極管上總的功率損耗，1為恒定的輸入電流(如55A)，Ticopper plate)為溫度穩定工況下導熱板上表面的平均溫度，Rth (copper plate-coolant)
為導熱板到冷卻液的熱阻值，
Ticoolant)為冷卻液的溫度(該溫度參考環境溫度)，Rth(c;_OT plate)為導熱板自身的熱阻值，L為導熱板的厚度，λ為導熱板的導熱系數;A為導熱板的散熱面積。
[0061]上述測試方法同樣適用于風冷式散熱器，當散熱器為風冷式散熱器，Rthicopperplate-coolant)為導熱板到冷卻風的熱阻值，T (C00Iant)為冷卻風的溫度，Rth(tim-coolant)
為風冷基板
和翅片的熱阻值，其包括界面材料層自身的熱阻值、散熱器自身的熱阻值、散熱器與冷卻風的表面換熱熱阻值。
[0062]本實用新型通用性強，適用范圍廣，可用于各種電力電子控制器不同水冷板及風冷散熱器的熱阻測試，其中散熱源模塊以及導熱板對稱分布于PIN FIN段的水道上，易于均勻散熱，而且二極管對稱分布在導熱板上，使熱量能夠在導熱板上均勻擴散。同時，熱電偶布置在導熱板的上表面上，并且靠近二極管的芯片位置，在不影響水冷板散熱以及避免泄漏的前提下，可以直接通過熱電偶獲得導熱板上表面的溫度，準確地算出導熱板到冷卻液的熱阻值，進而通過計算獲得水冷板或風冷散熱器的熱阻值。
[0063]本實用新型的散熱源裝置的輸出功率最高可達600W，與電力電子控制器單個功率模塊的最大導通損耗保持一致，且散熱源模塊與單個功率模塊的散熱面積相同，裝配位置相同，因此該散熱源模塊可用于模擬現有功率模塊的發熱情況。
[0064]以上通過具體實施例對本實用新型進行了詳細的說明，該實施例僅僅是本實用新型的較佳實施例，其并非對本實用新型進行限制。在不脫離本實用新型原理的情況下，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下對二極管的數量及分布方式、熱電偶的布置方式等方面通過任何修改、等同替換、改進等方式所獲得的所有其它實施例，均應視為在本實用新型所保護的技術范疇內。
【權利要求】
1.一種模塊化散熱源裝置，其特征在于，包括散熱源模塊、散熱源壓板(2)，所述散熱源模塊通過散熱源壓板(2)固定在散熱器的基板上，所述散熱源模塊包括二極管壓板(4)、導熱板(8)和N個二極管(6),其中N為偶數； 二極管(6)，通過二極管壓板(4)固定在導熱板(8)上，其關于導熱板(8)的橫向中心線上下對稱，關于導熱板(8)的縱向中心線左右對稱，所述二極管(6)依次串聯并與外接電源組成一回路； 導熱板(8)，其橫向中心線與散熱器基板的橫向中心線重合，縱向中心線與散熱器基板的縱向中心線重合。
2.根據權利要求1所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述二極管(6)的數量為大于等于6的偶數。
3.根據權利要求1或2所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述二極管(6)分為兩排，且關于導熱板(8)的橫向中心線上下對稱。
4.根據權利要求1或2所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述導熱板(8)的底面與散熱器的基板之間設有一界面材料層(10)。
5.根據權利要求1或2所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述散熱器為水冷式散熱器，散熱器的基板為水冷板(9 )，所述散熱源模塊固定在水冷板(9 )上。
6.根據權利要求1或2所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述散熱器為風冷式散熱器，其包括風冷基板 和若干翅片，所述散熱源模塊固定在風冷基板上。
7.根據權利要求1或2所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述二極管(6)與導熱板(8)之間設有導熱絕緣墊片(J)。
8.根據權利要求1或2所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述二極管壓板(4)和二極管(6 )之間設有第二絕緣泡沫層(5 )。
9.根據權利要求1或2所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述散熱源壓板(2)和二極管壓板(4 )之間設有第一絕緣泡沫層(3 )。
10.根據權利要求1或2所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述散熱源壓板(2)上安裝有線束固定架(1)。
11.根據權利要求4所述的模塊化散熱源裝置，其特征在于，所述界面材料層(10)的厚度小于0.1mm。
12.—種具有模塊化散熱源裝置的熱阻測試系統，其特征在于，包括散熱源模塊、散熱源壓板(2 )和熱電偶，所述散熱源模塊通過散熱源壓板(2 )固定在散熱器的基板上，所述散熱源模塊包括二極管壓板(4)、導熱板(8)和N個二極管(6)，其中N為偶數； 二極管(6)，通過二極管壓板(4)固定在導熱板(8)上，其關于導熱板(8)的橫向中心線上下對稱，關于導熱板(8)的縱向中心線左右對稱，所述二極管(6)依次串聯并與外接電源組成一回路； 導熱板(8 )，其底面與散熱器基板之間設有一界面材料層(10 )，導熱板(8 )的橫向中心線與散熱器基板的橫向中心線重合，縱向中心線與散熱器基板的縱向中心線重合； 熱電偶，數量為N個，每個二極管(6)的空腳PIN處靠近的導熱板(8)上表面設有一個熱電偶。
13.根據權利要求12所述的熱阻測試系統，其特征在于，所述二極管(6)的數量為大于等于6的偶數。
14.根據權利要求12所述的熱阻測試系統，其特征在于，每個二極管(6)的輸出端設有熱電偶，用于監測二極管結溫是否超過最大允許溫度。
15.根據權利要求12所述的熱阻測試系統，其特征在于，所述導熱板(8)的上表面還設有兩個參考熱電偶，所述兩個參`考熱電偶在橫向方向上分別位于N個熱電偶的兩側。
【文檔編號】H05K7/20GK203597005SQ201320669430
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月28日 優先權日:2013年10月28日
【發明者】何挺, 高喆, 張亮 申請人:聯合汽車電子有限公司