瞬態(tài)熱測試在內存模塊熱分析中的應用

文章來源于：熱管理產業(yè)聯盟

0 摘要

與傳統的穩(wěn)態(tài)熱特性技術相比，電子瞬態(tài)測試方法具有精度高，復現性好和數據翔實等特點，所以它已經逐漸成為一種非常有用的熱分析工具。本文介紹了如何使用瞬態(tài)測試技術對一條有16個芯片的內存模塊進行熱分析。模塊的邊界條件和損耗分布是研究工作中的兩個變量。通過對瞬態(tài)溫度測量數據進行反卷積網絡計算，我們可以識別其結構函數，結構函數是對于給定的邊界條件和損耗分布下，沿著特定熱流路徑的熱阻與熱容關系曲線。比較不同的結構函數可以揭示一個芯片和多個發(fā)熱芯片在熱流路徑上的差異。我們成功地在一個三維內存模塊上使用了瞬態(tài)熱測試方法，并且確定了總動態(tài)熱阻的影響因素，這些因素包括了散熱器，插槽和導熱界面材料。傳統的穩(wěn)態(tài)熱分析技術很難獲得關于三維元件這方面的信息。熱設計工程師可以通過這些信息去區(qū)分散熱設計中材料的優(yōu)點和熱交換的機理，從而降低整個散熱設計的成本。

1 介紹

內存模塊的熱損耗不斷增加，這就需要更高效的散熱設計。提高內存模塊的散熱效率，就需要我們了解模塊中每一部分的傳熱路徑，熱阻和熱容。傳統的熱穩(wěn)態(tài)和JEDEC標準測試方法使用的是一維熱流的方法，提供的也僅僅是一個總的熱阻值。此外，對于表面具有散熱器的內存元件，很難在不同的位置布置熱電偶和實時監(jiān)控其溫度變化。因此，我們提出了一個基于電子瞬態(tài)方法的內存熱分析方法。

第一個提出電子瞬態(tài)方法測量元件結溫是70年代的Blackburn等人。之后Siegel提出了一種從電子瞬態(tài)測量數據中提取2個或3個主要熱流時間常數的方法。再往后，Sofia提出了一種使用電子瞬態(tài)測試方法從塑料封裝中區(qū)分陶瓷封裝的方法。1988年，Szbkely提出了一種通過反卷積識別網絡的詳細方法，這種方法提供了精確的數學方法以獲得完整的各部分時間常數，動態(tài)熱阻和熱容。通過這些年的研究，在熱測試方面的電子瞬態(tài)測試方法取得了很大地進展。

在測試中使用半導體元件作為溫度傳感器有以下優(yōu)點：

與熱電偶相比，二極管、晶體管和MOSEFT等半導體元件具有更高的溫度敏感性。常見的半導體元件溫度敏感性大約是mV/℃，而熱電偶是μV/℃。

半導體元件對于溫度變化有著更快的動態(tài)響應。

半導體溫度傳感器具有很好的復現性和不受人為因素影響的優(yōu)點。

不需要像熱電偶一樣插入式布置---像表面有散熱器的內存模塊等這類非常緊湊的器件很難布置插入式的溫度傳感器。

直接獲得被測試元件的結溫要比通過殼溫推算得到的結溫要更精確。

除了以上優(yōu)點之外，通過電子瞬態(tài)測試方法記錄的溫度隨時間變化的曲線可以得到每一部分的瞬態(tài)熱阻，熱容和時間常數等信息。然而，精確的卷積處理需要一個非常好的數據識別系統，高信噪比和快速響應時間。對于精確的瞬態(tài)測試而言，這些都是非常重要的。測量結果和之后計算得到數據的精度使電子瞬態(tài)測試技術對于三維復雜散熱系統有很大的吸引力。

在本文的研究中，用于測試的內存模塊總共有16個芯片，每一側8個芯片。每一個芯片中都被嵌入了一個38歐姆的加熱器，以模擬內存工作期間產生的熱量。此外，這個 38歐姆的加熱器也作為溫度傳感器。當傳感器電流為 25 mA 時，這個傳感器的敏感度為3.792 mV/℃，這個傳感器使用一個溫度范圍為 20~80℃ 的熱電恒溫調節(jié)器進行校準。圖1是模塊的結構圖。

圖 1 內存模塊結構圖

2 測量

在測試期間，內存被放置在一個自然對流的恒溫箱內，并且對一個或多個芯片施加了一個持續(xù)1800s的熱功耗。之后，停止施加熱功耗，并且監(jiān)控之后1800s的溫度變化。在熱功耗停止施加后的1微秒后，開始連續(xù)記錄溫度變化。僅僅對一個芯片（芯片0）應用了1.6W的熱功耗。從圖2中我們可以看到被加熱的芯片溫度在停止施加熱功耗后的0.1ms內發(fā)生了變化。由于與被加熱芯片的熱交換，其它芯片的溫度至少在1s之后變化。最后所有的芯片都達到同一個穩(wěn)定的溫度。由于自然對流空間具有很大的熱容，所以測試通常需要經歷3600s才能達到穩(wěn)定。相比之下，如果邊界條件為冷板，測試的時間會大為縮短，大約為30~60s。盡管測試時間比較長，但瞬態(tài)測試方法可以確定芯片結點至環(huán)境空氣的動態(tài)熱阻，對于其它的熱邊界條件而言，自然對流環(huán)境是最惡劣的邊界條件，并且經常被用于參考。

圖 2 在芯片0 停止施加1.6W脈沖熱功耗后，內存一側8個芯片的溫度變化

使用反卷積網絡計算可以從溫度變化曲線中，得到熱阻抗，復合位點（Rt在頻域），熱阻和時間常數和結構函數。結構函數是熱流路徑獨一無二的描述。它是沿著熱流流動路徑上每一部分動態(tài)熱阻和熱容關系的圖線。圖3顯示了內存各部分對于結構函數的影響。

圖 3 內存模塊中各部分對于結構函數的影響

3 討論

首先我們研究有散熱器和沒有散熱器兩種情況下，結點至環(huán)境空氣的熱阻（Rth_ja）。16個芯片中只有一個被加熱。除了結構函數中描述芯片層的第一部分之外，兩個方案中的其它部分曲線有很大差異。在具有散熱器和導熱界面材料的方案中，在芯片層之后熱容有很大的增加。圖4中以藍色曲線顯示。沒有散熱器的方案中，熱量主要通過導熱的方式進入插槽，之后再經過PCB板，最后進入到空氣中。兩條不同的散熱路徑有不同的總熱阻Rth_ja。最大的熱阻差23K/W是由于散熱器所引起的，散熱器可以使發(fā)熱芯片的局部動態(tài)熱阻更低。熱量通過散熱器傳遞到不發(fā)熱的芯片上。

圖 4 芯片0被施加熱功耗之后，有散熱器和沒有散熱器兩種情況的結構函數

之后的測試中使用同樣的方法，只是同一時間對內存模塊一側的八個芯片同時進行加熱。圖5顯示了兩種情況的結構函數曲線幾乎平行，只是在有鋁散熱器的情況中熱阻有一個突增。具有散熱器的Rth_ja是6K/W，而沒有散熱器的Rth_ja是8.3K/W。當內存一側八個芯片同時被施加一樣的熱損耗，散熱器的溫度梯度非常小。Rth_ja差變小的原因是由于散熱器的表面積比八個芯片的總表面積要大。這個結果表明散熱器不能減少同時發(fā)熱芯片的局部動態(tài)熱阻。我們可以得出如下結論，當僅僅一個芯片散發(fā)熱量，散熱器會將熱量進行橫向傳遞，從而大幅度的減少了加熱芯片結點和環(huán)境空氣之間的總熱阻。

圖 5 8個芯片同時被加熱時，有和沒有散熱器的內存結構函數對比

當一個芯片發(fā)熱時，散熱器的熱擴散影響在熱流從發(fā)熱芯片到TIM材料中占主導地位。所以，類似TIM這類材料詳細的結構很難從結構函數中識別，除非我們對測試方法做一些改進。為了得到一個精確的TIM熱容和動態(tài)熱阻估計，我們采用冷板作為邊界條件，從而增加TIM兩側的溫度梯度。通過在內存模塊一側貼上冷板，另一面貼上Teflon絕緣紙。當所有的八個芯片同時發(fā)熱，在冷板和發(fā)熱芯片之間出現了一條幾乎沒有熱擴散的散熱路徑。通過這種方式，我們可以提高結構函數的分辨率，從而可以清楚地識別TIM材料。在測試期間，在內存靠近冷板一側的八個芯片總共散發(fā)了3.27W的熱量。從芯片結點到TIM，散熱器和最終的冷板之間幾乎形成了一條一維的散熱路徑。圖6中顯示了從測試數據中獲得的芯片結點和空氣之間的結構函數。我們可以從結構函數中，方便地確定出TIM和散熱器的動態(tài)熱阻值分別為0.3和0.4K/W。

圖 6 當內存一側8個芯片同時被加熱時，冷板和自然對流兩種不同邊界條件下的內存結構函數對比

圖6中藍線顯示的是自然對流環(huán)境中沒有冷板的結構函數。TIM材料的熱阻在總的結點至環(huán)境6K/W的熱阻值中占了很小一部分。即便TIM的熱阻值可以被進一步地減小到目前0.3K/W以下，但它不會影響總的熱阻值。

4 結果

在本文中，我們討論了電子瞬態(tài)測試方法在分析內存三維熱阻方面的優(yōu)點。我們研究了不同熱損耗情況下，不同損耗分布和邊界條件下的傳熱路徑，動態(tài)熱阻和熱容。通過比較由不同邊界條件測試數據所提取的結構函數，我們可以了解芯片結點到環(huán)境之間每一部分對總熱阻的影響。瞬態(tài)分析技術證實了當內存的一個芯片發(fā)熱時，散熱器會將熱量向側面?zhèn)鬟f，從而減少了總的熱阻值。當同一時間內內存的多個芯片發(fā)熱時，TIM和散熱器僅僅占到總熱阻中很少的一部分，因此TIM材料的散熱性能提升不會對整個散熱設計帶來太多的好處。本文沒有提及，但在參考文獻9和10中提到了在不同工作周期下每一部分的熱阻抗，熱時間常數和脈沖熱阻值。這些信息也可以通過對本文獲得的瞬態(tài)測試數據做進一步處理得到。