瞬态热阻抗测试原理、步骤及结构函数解读

2024-09-13 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RthJC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RthJC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PH加热的半导体器件的热阻或Zth函数ZθJC(t)定义如下。

热阻等于结温度的时间依存TJ (t)的变化除以加热功率PH。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RthJC(RθJC、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RthJC。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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