基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法

摘要

本发明提供一种基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法，至少包括：提供一覆盖有红外辐射薄膜的散热基板；在相同的室内环境下，分别获取所述散热基板在不同表面温度时的两组出射度数据；其中，每组所述出射度数据至少包括总红外辐射出射度，所述红外辐射薄膜的辐射出射度、周围环境对所述红外辐射薄膜表面的反射出射度，以及所述散热基板发出的透过所述红外辐射薄膜的辐射出射度；利用两组所述出射度数据，计算所述红外辐射薄膜的透过率。本发明可以测量红外辐射薄膜的发射率和散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，进而可以有针对性地设计更好的红外辐射薄膜，增强功率器件的散热效率，降低芯片的结温。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法。

背景技术

现代社会功率器件使用的领域越来越多，应用的功率越来越大(如今已达100W以上)，大部分电能都转化成热量，使芯片的结温迅速上升，当温度超过最大允许温度时，器件就会因为过热而损坏。散热问题也就成为功率型器件封装的关键，是迫切需要解决的问题。

当功率型器件正常工作时，使用散热基板是器件传热的有效方法，散热基板的温度一般要求不能超过60℃。在散热基板上沉积红外辐射薄膜是解决散热问题的方法之一，该红外辐射薄膜是一种宽红外透明高发射率薄膜。散热基板表面沉积红外辐射薄膜后，不仅红外辐射薄膜外表面向外辐射能量，而且散热基板辐射的红外线也会透过红外辐射薄膜向外扩散。在红外辐射薄膜辐射能量最大的情况下，应尽量提散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，从而增强散热效果。

但目前还没有一种有效可靠的方法来测量散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，虽然红外光谱仪等设备可以测透明材料上面沉积红外透明薄膜的增透效果，可得到对应波长的最大透过率，但功率型器件所用的散热基板是不透明材料做成的，因此使用现有的红外光谱仪无法测得散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，也就无法针对性地提高散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率。

因此，如何实现散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率的测量，是亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法，用于解决现有技术中无法测量散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法，其中，所述基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法至少包括：

提供一覆盖有红外辐射薄膜的散热基板；

在相同的室内环境下，分别获取所述散热基板在不同表面温度时的两组出射度数据；其中，每组所述出射度数据至少包括总红外辐射出射度，所述红外辐射薄膜的辐射出射度、周围环境对所述红外辐射薄膜表面的反射出射度，以及所述散热基板发出的透过所述红外辐射薄膜的辐射出射度；

利用两组所述出射度数据，计算所述红外辐射薄膜的透过率。

优选地，获取所述总红外辐射出射度，具体方法为：

提供一红外热像仪，并将所述红外热像仪的发射率预置为1；

通过所述红外热像仪接收红外辐射，所述红外热像仪在接收到红外辐射时显示相应的温度；

基于所述红外热像仪显示的温度，根据公式(1)得到所述总红外辐射出射度，且所述总红外辐射出射度还满足公式(2)：

W_t＝εW_f+(1-ε)W_a+ε_oτW_o(2)；

其中，W_t为所述总红外辐射出射度，T_t为所述红外热像仪显示的温度，σ为黑体辐射常数，εW_f为所述红外辐射薄膜的辐射出射度，(1-ε)W_a为所述周围环境对所述红外辐射薄膜表面的反射出射度，ε_oτW_o为所述散热基板发出的透过所述红外辐射薄膜的辐射出射度。

优选地，获取所述红外辐射薄膜的辐射出射度，具体方法为：

测量所述红外辐射薄膜的表面温度，其中，所述红外辐射薄膜的表面温度与所述散热基板的表面温度近似相同；

基于所述红外辐射薄膜的表面温度，根据公式(3)得到所述红外辐射薄膜的辐射出射度：

其中，T_f为所述红外辐射薄膜的表面温度，ε为所述红外辐射薄膜的发射率，W_f为所述黑体处于所述红外辐射薄膜的表面温度时的辐射出射度。

优选地，获取所述周围环境对所述红外辐射薄膜表面的反射出射度，具体方法为：

测量周围环境和大气的温度，其中，在室内环境时，所述周围环境的温度与所述大气的温度近似相同；

基于所述周围环境的温度，根据公式(4)得到所述周围环境对所述红外辐射薄膜表面的反射出射度：

其中，T_a为所述周围环境的温度，W_a为所述黑体处于所述周围环境的温度时的辐射出射度。

优选地，获取所述散热基板发出的透过所述红外辐射薄膜的辐射出射度，具体方法为：

提供一未覆盖所述红外辐射薄膜的样品散热基板；其中，所述样品散热基板和所述散热基板的大小、厚度、材质和表面温度均相同，且处于相同的室内环境中；

测量所述样品散热基板的发射率；

基于所述样品散热基板的发射率和所述红外辐射薄膜的表面温度，根据公式(5)得到所述样品散热基板的辐射出射度：

其中，ε_oW_o为所述样品散热基板的辐射出射度，ε_o为所述样品散热基板的发射率，W_o为所述黑体处于所述样品散热基板的表面温度时的辐射出射度；

基于所述样品散热基板的辐射出射度，根据公式(6)得到所述散热基板发出的透过所述红外辐射薄膜的辐射出射度：

其中，τ为所述红外辐射薄膜的透过率。

优选地，测量所述样品散热基板的发射率，具体方法为：

将预设强度的辐射能量投射到所述样品散热基板的表面；

测量所述样品散热基板的表面发出的反射能量；

基于能量守恒定律及基尔霍夫定律，根据公式(7)计算所述样品散热基板的反射率：

其中，ρ为所述样品散热基板的反射率，E_r为所述预设强度的辐射能量，E_o为所述反射能量；

基于所述样品散热基板的反射率，根据公式(8)计算所述样品散热基板的发射率：

ε_o＝1-ρ(8)。

优选地，利用两组所述出射度数据，计算所述红外辐射薄膜的透过率，具体方法为：

将所述公式(1)、(3)、(4)、(6)代入公式(2)中，化简后得到公式(9)：

以使两组所述出射度数据满足下列方程组(10)：

其中，T_t1为所述散热基板在第一表面温度时所述红外热像仪显示的温度，T_t2为所述散热基板在第二表面温度时所述红外热像仪显示的温度，T_f1所述散热基板在第一表面温度时测得的所述红外辐射薄膜的表面温度，T_f2为所述散热基板在第二表面温度时测得的所述红外辐射薄膜的表面温度；

从而根据公式(11)计算所述红外辐射薄膜的发射率：

基于所述红外辐射薄膜的发射率，根据公式(12)计算所述红外辐射薄膜的透过率：

优选地，所述散热基板的所述第一表面温度和所述第二表面温度之间的温差为20℃以上。

优选地，所述红外辐射薄膜的表面温度、所述周围环境的温度和所述大气的温度均采用热电偶测量。

优选地，所述红外辐射薄膜为透明薄膜，所述散热基板为非透明基板。

如上所述，本发明的基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法，具有以下有益效果：本发明可以测量红外辐射薄膜的发射率和散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，进而可以有针对性地设计更好的红外辐射薄膜，提高散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，从而增强功率器件的散热效率，降低芯片的结温。另外，本发明中散热基板上沉积的红外辐射薄膜，不局限于某一类薄膜，因此本发明应用更广泛。

附图说明

图1显示为本发明实施例的基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法的流程示意图。

图2显示为本发明实施例的基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法中红外热像仪接收各热辐射的示意图。

元件标号说明

1散热基板

2红外辐射薄膜

3远红外大气窗口

4红外热像仪

S1～S3 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1和图2，本发明的实施例涉及一种基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法。具体流程如图1所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1和图2所示，本实施例的基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法至少包括：

步骤S1，提供一覆盖有红外辐射薄膜2的散热基板1。

其中，散热基板1为非透明基板，红外辐射薄膜2为透明薄膜。在本实施例中，散热基板1采用金属基板，如铝基板、铜基板等；红外辐射薄膜2采用类金刚石(DLC，Diamond-Like Carbon)薄膜，类金刚石薄膜在红外波段8μm～14μm范围内具有高的透明性。此外，在其他的实施例中，散热基板1也可以采用其他不透明材质的基板，不局限于某一类基板；同时，红外辐射薄膜2也可以采用在红外波段3μm～5μm范围内具有高透明性的金刚石薄膜，或者在波段120nm～8000nm范围内透明的具有低折射率(n＝1.38)、良好热稳定性、较大膜层机械强度等优异性能的氟化镁(MgF₂)薄膜，或者在可见光范围内具有高透明性的硫化锌(ZnS)薄膜等等，不局限于某一类薄膜。

步骤S2，在相同的室内环境下，分别获取散热基板1在不同表面温度时的两组出射度数据。其中，每组出射度数据至少包括总红外辐射出射度，红外辐射薄膜2的辐射出射度、周围环境对红外辐射薄膜2表面的反射出射度，以及散热基板1发出的透过红外辐射薄膜2的辐射出射度。

需要解释的是，辐射出射度就是辐射通量与辐射表面积之比，表示的含义是黑体在一定温度T下，单位面积上，在单位时间内所辐射波长为λ的辐射能量，由热辐射的普朗克定律可得到黑体的光谱辐射出射度为W_(λ,T)＝c₁/λ⁵[exp(c₂/λT)-1]，式中，c₁＝3.7415×10^-16W.m²，c₂＝1.4388×10^-2m.K。依据广义定积分原理对上式进行积分可以得到黑体的辐射出射度，也就是玻尔兹曼热辐射定律：式中，σ是黑体辐射常数，等于σ＝5.67×10^-8W/m².K⁴。

在步骤S2中，获取总红外辐射出射度，具体方法为：

首先，提供一红外热像仪，并将红外热像仪的发射率预置为1。

其次，通过红外热像仪接收红外辐射，红外热像仪在接收到红外辐射时显示相应的温度。

再次，基于红外热像仪显示的温度，根据公式(1)得到总红外辐射出射度，且总红外辐射出射度还满足公式(2)：

W_t＝εW_f+(1-ε)W_a+ε_oτW_o(2)；

其中，W_t为总红外辐射出射度，T_t为红外热像仪显示的温度，σ为黑体辐射常数，εW_f为红外辐射薄膜2的辐射出射度，(1-ε)W_a为周围环境对红外辐射薄膜2表面的反射出射度，ε_oτW_o为散热基板1发出的透过红外辐射薄膜2的辐射出射度。

如图2所示，散热基板1及其上的红外辐射薄膜2的热辐射能量经过远红外大气窗口3后，被红外热像仪4接收。需要说明的是，当用红外热像仪4测散热基板1及其上的红外辐射薄膜2的热辐射能量时，与测一般物体的热辐射能量有一定的区别。红外热像仪4接收的红外辐射不仅包含了红外辐射薄膜2表面的辐射部分、周围环境对它的反射辐射部分、大气辐射部分，而且还包含了散热基板1所发射的辐射透过红外辐射薄膜2的部分。所以，红外热像仪4所接收的总红外辐射出射度(辐射功率)为W_t＝ετ_eW_f+(1-ε)τ_eW_a+(1-τ_e)W_e+ε_oττ_eW_o，式中，ε和τ分别是红外辐射薄膜2的发射率和透过率，τ_e是大气透过率，ετ_eW_f是红外辐射薄膜2的辐射出射度，(1-ε)τ_eW_a是周围环境对红外辐射薄膜2表面的反射出射度，(1-τ_e)W_e是大气辐射，ε_oττ_eW_o是散热基板1发出的透过红外辐射薄膜2的辐射出射度。而在远红外大气窗口3，室内大气透过率接近于1，即τ_e＝1，因此红外热像仪4接收到的总红外辐射出射度满足上述公式(2)。

在步骤S2中，获取红外辐射薄膜2的辐射出射度，具体方法为：

首先，测量红外辐射薄膜2的表面温度，其中，红外辐射薄膜2的表面温度与散热基板1的表面温度近似相同。在本实施例中，采用接触式测温法利用热电偶测量红外辐射薄膜2的表面温度，即通过将热电偶与散热基板1上的红外辐射薄膜2进行接触来测温；而热电偶可以采用TES1300A温度计等。当然，在其他的实施例中，也可以采用别的方法或器件来进行红外辐射薄膜2的表面温度的测量，如使用温度传感器等，只要能够测量红外辐射薄膜2的表面温度即可，并不仅限于本实施例中涉及的方法或器件。此外，由于红外辐射薄膜2很薄，红外辐射薄膜2的表面温度和散热基板1的表面温度差异较小，可以忽略不计，为了便于计算，在本实施例中，将红外辐射薄膜2的表面温度认定为与散热基板1的表面温度相同。

其次，基于红外辐射薄膜2的表面温度，根据公式(3)得到红外辐射薄膜2的辐射出射度：

其中，T_f为红外辐射薄膜2的表面温度，ε为红外辐射薄膜2的发射率，W_f为黑体处于红外辐射薄膜2的表面温度时的辐射出射度。

在步骤S2中，获取周围环境对红外辐射薄膜2表面的反射出射度，具体方法为：

首先，测量周围环境和大气的温度，其中，在室内环境时，周围环境的温度与大气的温度近似相同。在本实施例中，可以利用热电偶，如实验室内环境温度计(例如电子温度计有日置LR5001-20温湿度记录仪和实验室用水银温度计)测量周围环境的温度和大气的温度，在室内环境时，大气的温度就近似等于周围环境的温度。当然，在其他的实施例中，也可以采用别的方法或器件来进行周围环境和大气的温度的测量，如使用温度传感器等，只要能够测量周围环境和大气的温度即可，并不仅限于本实施例中涉及的方法或器件。

其次，基于周围环境的温度，根据公式(4)得到周围环境对红外辐射薄膜2表面的反射出射度：

其中，T_a为周围环境的温度，W_a为黑体处于周围环境的温度时的辐射出射度。

在步骤S2中，获取散热基板1发出的透过红外辐射薄膜2的辐射出射度，具体方法为：

首先，提供一未覆盖红外辐射薄膜的样品散热基板；其中，样品散热基板和散热基板1的大小、厚度、材质和表面温度均相同，且处于相同的室内环境中；在本实施例中，样品散热基板同样为非透明基板。

其次，测量样品散热基板的发射率。

再次，基于样品散热基板的发射率和红外辐射薄膜2的表面温度，根据公式(5)得到样品散热基板的辐射出射度：

其中，ε_oW_o为样品散热基板的辐射出射度，ε_o为样品散热基板的发射率，W_o为黑体处于样品散热基板的表面温度时的辐射出射度。

最后，基于样品散热基板的辐射出射度，根据公式(6)得到散热基板1发出的透过红外辐射薄膜2的辐射出射度：

其中，τ为红外辐射薄膜2的透过率。

值得一提的是，上述的测量样品散热基板的发射率，具体方法为：

首先，将预设强度的辐射能量投射到样品散热基板的表面。

其次，测量样品散热基板的表面发出的反射能量。

再次，基于能量守恒定律及基尔霍夫定律，根据公式(7)计算样品散热基板的反射率：

其中，ρ为样品散热基板的反射率，E_r为预设强度的辐射能量，E_o为反射能量。

最后，基于样品散热基板的反射率，根据公式(8)计算样品散热基板的发射率：

ε_o＝1-ρ(8)。

在本实施例中，重复利用上述步骤S2中的各方法，获取散热基板1在第一表面温度时的第一组出射度数据，以及散热基板1在第二表面温度时的第二组出射度数据。为了使得最终的测量结果更精确，减小误差，需要尽量使第一表面温度和第二表面温度相差较大。优选地，散热基板1的第一表面温度和第二表面温度之间的温差为20℃以上，例如20℃、25℃、30℃、35℃等等。

步骤S3，利用两组出射度数据，计算红外辐射薄膜2的透过率。具体方法为：

将上述公式(1)、(3)、(4)、(6)代入公式(2)中，化简后得到公式(9)：

以使两组出射度数据满足下列方程组(10)：

其中，T_t1为散热基板1在第一表面温度时红外热像仪显示的温度，T_t2为散热基板1在第二表面温度时红外热像仪显示的温度，T_f1散热基板1在第一表面温度时测得的红外辐射薄膜2的表面温度，T_f2为散热基板1在第二表面温度时测得的红外辐射薄膜2的表面温度；

从而根据公式(11)计算红外辐射薄膜2的发射率：

基于红外辐射薄膜2的发射率，根据公式(12)计算红外辐射薄膜2的透过率：

该红外辐射薄膜2的透过率τ即是指散热基板1的辐射能量透过红外辐射薄膜2的透过率。由此可见，本实施例能够测量红外辐射薄膜的发射率和散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，进而可以有针对性地设计更好的红外辐射薄膜，提高散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，从而增强功率器件的散热效率，降低芯片的结温。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

综上所述，本发明的基于红外热像仪的红外辐射薄膜透过率的测量方法，具有以下有益效果：本发明可以测量红外辐射薄膜的发射率和散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，进而可以有针对性地设计更好的红外辐射薄膜，提高散热基板的辐射能量透过红外辐射薄膜的透过率，从而增强功率器件的散热效率，降低芯片的结温。另外，本发明中散热基板上沉积的红外辐射薄膜，不局限于某一类薄膜，因此本发明应用更广泛。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。