瞬态热阻抗测试原理、步骤及结构函数解读

时间： 2024-09-13 来源：阿基米德半导体公众号

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随着现代电子技术的发展，功率器件在各种应用中的作用愈发重要。功率器件在工作过程中会产生大量的热量，如何有效地管理这些热量是确保器件可靠性和性能的关键。结壳热阻在传热过程中起着关键作用，影响着散热性能。在JEDEC Standard JESD51 的定义中，结壳热阻R_thJC是指从半导体器件的工作部分到芯片的安装区域最近的封装（外壳）的外周面的热阻。结壳热阻R_thJC是半导体器件的重要热特性之一，通过使该表面接触高性能散热器，在外壳表面尽可能最好的冷却条件下显示热性能极限。这个值越低，热性能越好。

瞬态热阻抗测试是一种用于评估功率器件热性能的重要手段，能够提供器件在不同工作条件下的详细热性能数据，利用双界面法可测得结壳热阻RthJC。本文将详细探讨瞬态热阻抗测试原理、步骤以及结构函数的解读。

（一）测试原理

在外壳表面适当地用冷却板，由时间t=0开始的恒定功率P_H加热的半导体器件的热阻或Z_th函数Z_θJC(t)定义如下。

热阻等于结温度的时间依存T_{J (t)}的变化除以加热功率P_H。即使外壳的冷却条件发生了变化，在与冷却金属板接触的外壳在温度开始上升之前，也不会影响热阻。但是，在外壳和冷却板之间接触热阻抗不同的测量中，由于在稳定状态下总热阻发生变化，所以会测量到不同的热阻抗曲线。进行该接触阻抗不同的2个热阻测量，这2个曲线的分离点上的累计热阻定义为R_thJC（R_θJC、θJC）。其测试原理图如下图所示。

测试原理图

（二）测试步骤

1、K系数标定：采用温度敏感参数即K系数来计算结温，在特定温度下保温足够长时间，使得样品温度均匀一致；再通过小电流恒流源向器件输入小电流，利用检测线记录器件压降的变化。之后改变温度，再次重复上一过程，最终得到不同温度下样品对应的压降值。最后，通过数值拟合求得其K系数。一般采用油冷或者温箱调节温度。

2、通过施加大电流，加热一段时间待温度稳定，达到热平衡，小电流测量，计算功率大小，实现功率的阶跃，被记录下来的正向电压数值通过被测半导体器件的温度系数（mV/℃）被转换成为相应的温度随时间变化的关系，其结温公式计算如下：

3、逐渐增加大电流，直至满足热平衡条件；

4、在这个电流下，涂覆硅脂再进行测试，重复测试3-4次，将数据导入T3Ster软件处理，得到结构函数。两条结构函数的分离点即为结-壳热阻R_thJC。以英飞凌 FF450R12ME4为例，对模块 IGBT进行瞬态热阻测试，测试设备：Mentor Power Tester 1500A。

FF450R12ME4及其拓扑图

（1）K系数标定：将待测器件固定在油冷板上，连接检测线，分别对IGBT进行检测，设置25-125℃下，每间隔25℃检测出一个压降，拟合温度-压降关系的曲线，如下图：

T1：T=226.725-412.740*V，K-factor=-2.423mV/℃，Offset（V@0℃）：0.549V

T2：T=226.046-412.029*V，K-factor=-2.427mV/℃，Offset（V@0℃）：0.549V

（2）待K系数测量完成后，将模块固定于水冷板，连接电源和检测线，施加大电流，得到温升曲线。

（3）在相同电流下涂覆硅脂进行测试，重复3-4次，最后将数据导入T3Ster软件进行数据处理，得到两条结构函数。

（4）对两条结构函数进行微分处理，两条微分曲线分离点即为结壳热阻，RthJC=0.0567℃/W。

（三）结构函数解读

对于封装半导体器件热阻构成分析，研究学者提出了结构函数法。若热传导路径基本是一维的，封装半导体器件可视为由芯片、焊料、铜基板等构成的串联热阻、热容网络。器件瞬态响应曲线是各层热阻、热容共同作用的结果，利用结构函数法能从中提取出器件内部各层热阻构成。

因此结构函数的定义是：特定热源在特定散热材料内所形成的散热路径的一维表征。其瞬态响应曲线，可表示为：

式中:a(t)瞬态响应曲线；为各阶热阻成分；t 为应时间；τi为各阶对应的时间常数。令Z=Int，并求导得：

式中：

，

*表示卷积运算。通过 Cauer 型热学模型，将各个热阻和热容进行叠加，便可得到积分结构函数：

式中：

其中 c(ξ) 为体积热容，λ(ξ)为热导率，A(ξ) 为横截面积，x=0 表示热源位置。对积分结构函数求导，可得到微分结构函数:

器件沿传热路径依次经过芯片、芯片焊料层、封装、导热硅脂和冷却基板。在积分结构函数中，器件内部结构层主要通过曲线的斜率来划分，斜率小的区域代表该区域具有低热导率或者是较小的横截面积，斜率大的情况则反之。在微分结构函数中，波峰与其相邻波谷间的拐点往往代表着两种材料的界面位置。因冷却基板与水冷装置连接，其热容近似无穷大，故结构函数的最后部分均趋于无穷大。

结构函数法

下图为英飞凌 FF450R12ME4 IGBT的结构函数图。

结构函数可以认为是电子设备固有的属性，和施加到被测芯片的功率大小没有直接的关系。一旦电子设备的结构函数被准确测出，我们就可以用结构函数来分析该电子设备的一维散热路径，而不必纠结于构成该电子设备的不同材料的物性和导热参数等等。总结而言，结构函数是一种强大且不可或缺的工具，能够提供热管理方面的详细信息，为产品设计、制造和质量控制提供重要支持。

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