半導(dǎo)體的結(jié)溫，是電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)繞不過去的關(guān)鍵點(diǎn)，大部分電子熱設(shè)計(jì)都是在成本限制的條件下，盡力去降低結(jié)溫，或者是保證結(jié)溫的同時(shí)，盡可能降低成本。然后實(shí)際芯片工作過程中，結(jié)溫測(cè)試是一個(gè)行業(yè)難題，業(yè)內(nèi)引入結(jié)殼熱阻的概念，用殼溫去估算結(jié)溫。

那么Rthjc的測(cè)量就相當(dāng)重要了，為了工業(yè)能廣泛應(yīng)用，行業(yè)也因此出現(xiàn)了很多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中，美軍標(biāo)(MIL-STD-883E)，IEC 60749-34，及JEDEC的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用比較廣泛。

從技術(shù)角度分析，美軍標(biāo)、IEC 60749-34和JEDEC的JESD 51-1都是穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量方法都是用結(jié)溫減去殼溫再除以功率。

2010年JEDEC的瞬態(tài)熱測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JESD 51-14，提供精度更高，重復(fù)性更好的熱阻測(cè)試方法，即基于結(jié)構(gòu)函數(shù)的雙界面分離法。以下是主要測(cè)試方式的對(duì)比。

美軍的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)溫是ETM計(jì)算，殼溫的測(cè)量，用熱電偶放在器件的正下方，對(duì)孔徑并沒有嚴(yán)格要求，熱電偶涂以導(dǎo)熱硅脂，但殼底并沒有涂抹。

由于汽車功率器件功率密度的提升，用美軍標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量誤差變大，因此在IEC測(cè)量熱阻時(shí)做了一些改進(jìn)，要求在殼底也要涂導(dǎo)熱硅脂，同時(shí)對(duì)于熱電偶的孔徑也做了規(guī)范化，要求在2.5mm。

實(shí)驗(yàn)重復(fù)了30次，記錄所有的測(cè)試數(shù)據(jù)。

美軍標(biāo)熱阻最大值大概1.8，最小值大概是0.8，平均值在1.22，相對(duì)于1.22這個(gè)平均值，測(cè)量值有50%的散差，IEC在0.6-1.1之間，平均值0.81，散差為30%，51-14在0.45-0.6之間，平均值0.53，散差為5%。很明顯JESD 51-14的重復(fù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

另外，美軍標(biāo)的值是1.22，IEC的值是0.81，而JESD 51-14的值只有0.53，究竟哪一個(gè)才是真的結(jié)殼熱阻，不同標(biāo)準(zhǔn)下，測(cè)量值有這么大的偏差，行業(yè)該如何去應(yīng)用？

結(jié)殼熱阻的定義

僅僅從文字上理解，結(jié)殼熱阻的定義，應(yīng)該是結(jié)溫減去A點(diǎn)的溫度，再除以功率得到的數(shù)值。

那么三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試值，哪個(gè)才是定義中的結(jié)殼熱阻呢？答案是：三個(gè)都不是。

美軍標(biāo)的測(cè)量方式，由于殼底沒有涂抹導(dǎo)熱硅脂，溫度傳感器的溫度相對(duì)于A點(diǎn)的溫度有很大的差距。

如上圖所示，工業(yè)應(yīng)用中，器件和散熱器之間，有一層薄薄的黃色材料，即導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱硅脂的目的是為了減小器件到散熱器之間的接觸熱阻。從瞬態(tài)熱測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看這層接觸熱阻，大概占到結(jié)到環(huán)境總熱阻的40%左右，更大的可能會(huì)到60%。而結(jié)殼熱阻大概也就占到總熱阻的20%左右。

分析熱電偶到結(jié)溫之間的溫差，一部分是結(jié)殼熱阻造成的，另外一部分，是殼底到熱電偶之間的接觸熱阻造成的。我們可以認(rèn)為結(jié)殼熱阻相對(duì)不變，而美軍標(biāo)的測(cè)量值存在50%的波動(dòng)，大概率主要是由于接觸熱阻的變化導(dǎo)致的。

而IEC中，測(cè)量值的波動(dòng)減小到30%，是因?yàn)闇y(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在殼底也涂了導(dǎo)熱硅脂，因此誤差相對(duì)較小，測(cè)量值也相對(duì)較小。

工程實(shí)踐中，我們無法在應(yīng)用中重復(fù)測(cè)量過程中的接觸熱阻，因此，對(duì)于用穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試值去估算結(jié)溫，至少會(huì)存在30%以上的偏差。

盡管JESD 51-14的測(cè)試值也會(huì)受到不同介質(zhì)的影響，其數(shù)值要比實(shí)際的值也要大一些，然而因?yàn)槠錅y(cè)試的重復(fù)性較好，實(shí)際應(yīng)用中，如果我們通過一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，或者使用相應(yīng)的降階模型，一定程度上，可以用來預(yù)測(cè)結(jié)溫。

特別是大功率器件，其熱阻可能更小，用熱電偶去測(cè)殼溫，因?yàn)闅販y(cè)量誤差先天性比較大，殼溫是有分布的，即使測(cè)中間的溫度最高點(diǎn)（影響因素太多，特別是接觸熱阻的變化很大，實(shí)踐中無法去定義這個(gè)溫度），重復(fù)性也難以滿足目前工程應(yīng)用的要求。行業(yè)上目前主流技術(shù)都是使用瞬態(tài)熱測(cè)試技術(shù)。瞬態(tài)熱測(cè)試技術(shù)，可以轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)函數(shù)，如果散熱路徑不變，結(jié)構(gòu)函數(shù)也不會(huì)變，而如果散熱路徑變化，結(jié)構(gòu)函數(shù)會(huì)精確顯示其變化對(duì)應(yīng)的材料（包含界面熱阻和接觸熱阻）和變化值，從而可以對(duì)散熱路徑做精確分析和定義。

結(jié)構(gòu)函數(shù)還可以定義VC，浸沒式，甚至將來的MLCP，芯片下面的微通道等等散熱方式。由于該領(lǐng)域數(shù)據(jù)相對(duì)較少，為了讓測(cè)試結(jié)果更合理，我們采用了測(cè)試和仿真相結(jié)合的方法，從仿真結(jié)果來看數(shù)據(jù)的合理性，從測(cè)試結(jié)果看方案的真實(shí)性能評(píng)價(jià)。

使用均溫板優(yōu)化散熱路徑

上圖是在散熱器上使用VC的結(jié)構(gòu)函數(shù)測(cè)試結(jié)果，可見結(jié)到冷卻液的總熱阻由0.135K/W降低到0.09K/W，其散熱性能得到了很大的提升。

浸沒式的結(jié)構(gòu)函數(shù)

在沒有測(cè)試之前，我一直以為浸沒式的散熱效果應(yīng)該比VC更好，然而測(cè)試結(jié)果卻推翻了這個(gè)想當(dāng)然，從結(jié)構(gòu)函數(shù)上看，在被冷卻對(duì)象和浸沒液之間，存在一條很長(zhǎng)的界面熱阻，我分析大概是因?yàn)椴牧现g的浸潤(rùn)關(guān)系導(dǎo)致的，由于這段熱阻的存在，導(dǎo)致浸沒式反而沒有VC的效果好。這個(gè)結(jié)果并不能說明VC比浸沒式更好，基于當(dāng)前的兩個(gè)方案，VC要優(yōu)于浸沒式，其結(jié)果數(shù)據(jù)是非常直觀的，或許更換介質(zhì)可能會(huì)得到不同的結(jié)果，也用結(jié)構(gòu)函數(shù)這個(gè)工具去評(píng)價(jià)，簡(jiǎn)單直觀，精確明了。

由于找不到MLCP和微通道的樣品，我們目前無法對(duì)這兩組方案做結(jié)構(gòu)函數(shù)的測(cè)試，希望未來有關(guān)廠家如果感興趣，我方可以免費(fèi)為貴司進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并拿到相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，一定程度上可以對(duì)貴司散熱方案的性能和可靠性做精準(zhǔn)的量化分析。

特別要強(qiáng)調(diào)的是，在功率密度越來越高的情況下，用典型測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)結(jié)溫，誤差是不可控的，只有基于結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)，才是第一性原理（因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)函數(shù)直接測(cè)結(jié)溫），其數(shù)據(jù)和模型有很高的重用價(jià)值。

審核編輯 黃宇