瞬態(tài)熱測(cè)試在內(nèi)存模塊熱分析中的應(yīng)用

文章來(lái)源于：熱管理產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

0 摘要

與傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱特性技術(shù)相比，電子瞬態(tài)測(cè)試方法具有精度高，復(fù)現(xiàn)性好和數(shù)據(jù)翔實(shí)等特點(diǎn)，所以它已經(jīng)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(cè)試技術(shù)對(duì)一條有16個(gè)芯片的內(nèi)存模塊進(jìn)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(gè)變量。通過(guò)對(duì)瞬態(tài)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反卷積網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，我們可以識(shí)別其結(jié)構(gòu)函數(shù)，結(jié)構(gòu)函數(shù)是對(duì)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(guān)系曲線。比較不同的結(jié)構(gòu)函數(shù)可以揭示一個(gè)芯片和多個(gè)發(fā)熱芯片在熱流路徑上的差異。我們成功地在一個(gè)三維內(nèi)存模塊上使用了瞬態(tài)熱測(cè)試方法，并且確定了總動(dòng)態(tài)熱阻的影響因素，這些因素包括了散熱器，插槽和導(dǎo)熱界面材料。傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱分析技術(shù)很難獲得關(guān)于三維元件這方面的信息。熱設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)這些信息去區(qū)分散熱設(shè)計(jì)中材料的優(yōu)點(diǎn)和熱交換的機(jī)理，從而降低整個(gè)散熱設(shè)計(jì)的成本。

1 介紹

內(nèi)存模塊的熱損耗不斷增加，這就需要更高效的散熱設(shè)計(jì)。提高內(nèi)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(tǒng)的熱穩(wěn)態(tài)和JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法使用的是一維熱流的方法，提供的也僅僅是一個(gè)總的熱阻值。此外，對(duì)于表面具有散熱器的內(nèi)存元件，很難在不同的位置布置熱電偶和實(shí)時(shí)監(jiān)控其溫度變化。因此，我們提出了一個(gè)基于電子瞬態(tài)方法的內(nèi)存熱分析方法。

第一個(gè)提出電子瞬態(tài)方法測(cè)量元件結(jié)溫是70年代的Blackburn等人。之后Siegel提出了一種從電子瞬態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)中提取2個(gè)或3個(gè)主要熱流時(shí)間常數(shù)的方法。再往后，Sofia提出了一種使用電子瞬態(tài)測(cè)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(guò)反卷積識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)方法，這種方法提供了精確的數(shù)學(xué)方法以獲得完整的各部分時(shí)間常數(shù)，動(dòng)態(tài)熱阻和熱容。通過(guò)這些年的研究，在熱測(cè)試方面的電子瞬態(tài)測(cè)試方法取得了很大地進(jìn)展。

在測(cè)試中使用半導(dǎo)體元件作為溫度傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

半導(dǎo)體元件對(duì)于溫度變化有著更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

半導(dǎo)體溫度傳感器具有很好的復(fù)現(xiàn)性和不受人為因素影響的優(yōu)點(diǎn)。

不需要像熱電偶一樣插入式布置---像表面有散熱器的內(nèi)存模塊等這類(lèi)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(cè)試元件的結(jié)溫要比通過(guò)殼溫推算得到的結(jié)溫要更精確。

除了以上優(yōu)點(diǎn)之外，通過(guò)電子瞬態(tài)測(cè)試方法記錄的溫度隨時(shí)間變化的曲線可以得到每一部分的瞬態(tài)熱阻，熱容和時(shí)間常數(shù)等信息。然而，精確的卷積處理需要一個(gè)非常好的數(shù)據(jù)識(shí)別系統(tǒng)，高信噪比和快速響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于精確的瞬態(tài)測(cè)試而言，這些都是非常重要的。測(cè)量結(jié)果和之后計(jì)算得到數(shù)據(jù)的精度使電子瞬態(tài)測(cè)試技術(shù)對(duì)于三維復(fù)雜散熱系統(tǒng)有很大的吸引力。

在本文的研究中，用于測(cè)試的內(nèi)存模塊總共有16個(gè)芯片，每一側(cè)8個(gè)芯片。每一個(gè)芯片中都被嵌入了一個(gè)38歐姆的加熱器，以模擬內(nèi)存工作期間產(chǎn)生的熱量。此外，這個(gè) 38歐姆的加熱器也作為溫度傳感器。當(dāng)傳感器電流為 25 mA 時(shí)，這個(gè)傳感器的敏感度為3.792 mV/℃，這個(gè)傳感器使用一個(gè)溫度范圍為 20~80℃ 的熱電恒溫調(diào)節(jié)器進(jìn)行校準(zhǔn)。圖1是模塊的結(jié)構(gòu)圖。

圖 1 內(nèi)存模塊結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)量

在測(cè)試期間，內(nèi)存被放置在一個(gè)自然對(duì)流的恒溫箱內(nèi)，并且對(duì)一個(gè)或多個(gè)芯片施加了一個(gè)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(kāi)始連續(xù)記錄溫度變化。僅僅對(duì)一個(gè)芯片（芯片0）應(yīng)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(nèi)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(dá)到同一個(gè)穩(wěn)定的溫度。由于自然對(duì)流空間具有很大的熱容，所以測(cè)試通常需要經(jīng)歷3600s才能達(dá)到穩(wěn)定。相比之下，如果邊界條件為冷板，測(cè)試的時(shí)間會(huì)大為縮短，大約為30~60s。盡管測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)，但瞬態(tài)測(cè)試方法可以確定芯片結(jié)點(diǎn)至環(huán)境空氣的動(dòng)態(tài)熱阻，對(duì)于其它的熱邊界條件而言，自然對(duì)流環(huán)境是最?lèi)毫拥倪吔鐥l件，并且經(jīng)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(nèi)存一側(cè)8個(gè)芯片的溫度變化

使用反卷積網(wǎng)絡(luò)計(jì)算可以從溫度變化曲線中，得到熱阻抗，復(fù)合位點(diǎn)（Rt在頻域），熱阻和時(shí)間常數(shù)和結(jié)構(gòu)函數(shù)。結(jié)構(gòu)函數(shù)是熱流路徑獨(dú)一無(wú)二的描述。它是沿著熱流流動(dòng)路徑上每一部分動(dòng)態(tài)熱阻和熱容關(guān)系的圖線。圖3顯示了內(nèi)存各部分對(duì)于結(jié)構(gòu)函數(shù)的影響。

圖 3 內(nèi)存模塊中各部分對(duì)于結(jié)構(gòu)函數(shù)的影響

3 討論

首先我們研究有散熱器和沒(méi)有散熱器兩種情況下，結(jié)點(diǎn)至環(huán)境空氣的熱阻（Rth_ja）。16個(gè)芯片中只有一個(gè)被加熱。除了結(jié)構(gòu)函數(shù)中描述芯片層的第一部分之外，兩個(gè)方案中的其它部分曲線有很大差異。在具有散熱器和導(dǎo)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(lán)色曲線顯示。沒(méi)有散熱器的方案中，熱量主要通過(guò)導(dǎo)熱的方式進(jìn)入插槽，之后再經(jīng)過(guò)PCB板，最后進(jìn)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(dòng)態(tài)熱阻更低。熱量通過(guò)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(méi)有散熱器兩種情況的結(jié)構(gòu)函數(shù)

之后的測(cè)試中使用同樣的方法，只是同一時(shí)間對(duì)內(nèi)存模塊一側(cè)的八個(gè)芯片同時(shí)進(jìn)行加熱。圖5顯示了兩種情況的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線幾乎平行，只是在有鋁散熱器的情況中熱阻有一個(gè)突增。具有散熱器的Rth_ja是6K/W，而沒(méi)有散熱器的Rth_ja是8.3K/W。當(dāng)內(nèi)存一側(cè)八個(gè)芯片同時(shí)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(gè)芯片的總表面積要大。這個(gè)結(jié)果表明散熱器不能減少同時(shí)發(fā)熱芯片的局部動(dòng)態(tài)熱阻。我們可以得出如下結(jié)論，當(dāng)僅僅一個(gè)芯片散發(fā)熱量，散熱器會(huì)將熱量進(jìn)行橫向傳遞，從而大幅度的減少了加熱芯片結(jié)點(diǎn)和環(huán)境空氣之間的總熱阻。

圖 5 8個(gè)芯片同時(shí)被加熱時(shí)，有和沒(méi)有散熱器的內(nèi)存結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)比

當(dāng)一個(gè)芯片發(fā)熱時(shí)，散熱器的熱擴(kuò)散影響在熱流從發(fā)熱芯片到TIM材料中占主導(dǎo)地位。所以，類(lèi)似TIM這類(lèi)材料詳細(xì)的結(jié)構(gòu)很難從結(jié)構(gòu)函數(shù)中識(shí)別，除非我們對(duì)測(cè)試方法做一些改進(jìn)。為了得到一個(gè)精確的TIM熱容和動(dòng)態(tài)熱阻估計(jì)，我們采用冷板作為邊界條件，從而增加TIM兩側(cè)的溫度梯度。通過(guò)在內(nèi)存模塊一側(cè)貼上冷板，另一面貼上Teflon絕緣紙。當(dāng)所有的八個(gè)芯片同時(shí)發(fā)熱，在冷板和發(fā)熱芯片之間出現(xiàn)了一條幾乎沒(méi)有熱擴(kuò)散的散熱路徑。通過(guò)這種方式，我們可以提高結(jié)構(gòu)函數(shù)的分辨率，從而可以清楚地識(shí)別TIM材料。在測(cè)試期間，在內(nèi)存靠近冷板一側(cè)的八個(gè)芯片總共散發(fā)了3.27W的熱量。從芯片結(jié)點(diǎn)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(cè)試數(shù)據(jù)中獲得的芯片結(jié)點(diǎn)和空氣之間的結(jié)構(gòu)函數(shù)。我們可以從結(jié)構(gòu)函數(shù)中，方便地確定出TIM和散熱器的動(dòng)態(tài)熱阻值分別為0.3和0.4K/W。

圖 6 當(dāng)內(nèi)存一側(cè)8個(gè)芯片同時(shí)被加熱時(shí)，冷板和自然對(duì)流兩種不同邊界條件下的內(nèi)存結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)比

圖6中藍(lán)線顯示的是自然對(duì)流環(huán)境中沒(méi)有冷板的結(jié)構(gòu)函數(shù)。TIM材料的熱阻在總的結(jié)點(diǎn)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(jìn)一步地減小到目前0.3K/W以下，但它不會(huì)影響總的熱阻值。

4 結(jié)果

在本文中，我們討論了電子瞬態(tài)測(cè)試方法在分析內(nèi)存三維熱阻方面的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)態(tài)熱阻和熱容。通過(guò)比較由不同邊界條件測(cè)試數(shù)據(jù)所提取的結(jié)構(gòu)函數(shù)，我們可以了解芯片結(jié)點(diǎn)到環(huán)境之間每一部分對(duì)總熱阻的影響。瞬態(tài)分析技術(shù)證實(shí)了當(dāng)內(nèi)存的一個(gè)芯片發(fā)熱時(shí)，散熱器會(huì)將熱量向側(cè)面?zhèn)鬟f，從而減少了總的熱阻值。當(dāng)同一時(shí)間內(nèi)內(nèi)存的多個(gè)芯片發(fā)熱時(shí)，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(huì)對(duì)整個(gè)散熱設(shè)計(jì)帶來(lái)太多的好處。本文沒(méi)有提及，但在參考文獻(xiàn)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(shí)間常數(shù)和脈沖熱阻值。這些信息也可以通過(guò)對(duì)本文獲得的瞬態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理得到。