不同热测试标准Rthjc测试的实验设计及数据比较分析

半导体的结温，是电子产品热设计绕不过去的关键点，大部分电子热设计都是在成本限制的条件下，尽力去降低结温，或者是保证结温的同时，尽可能降低成本。然后实际芯片工作过程中，结温测试是一个行业难题，业内引入结壳热阻的概念，用壳温去估算结温。

那么Rthjc的测量就相当重要了，为了工业能广泛应用，行业也因此出现了很多测试标准，其中，美军标(MIL-STD-883E)，IEC 60749-34，及JEDEC的标准，应用比较广泛。

从技术角度分析，美军标、IEC 60749-34和JEDEC的JESD 51-1都是稳态标准，测量方法都是用结温减去壳温再除以功率。

2010年JEDEC的瞬态热测试标准JESD 51-14，提供精度更高，重复性更好的热阻测试方法，即基于结构函数的双界面分离法。以下是主要测试方式的对比。

美军的实验设计，结温是ETM计算，壳温的测量，用热电偶放在器件的正下方，对孔径并没有严格要求，热电偶涂以导热硅脂，但壳底并没有涂抹。

由于汽车功率器件功率密度的提升，用美军标的标准测量误差变大，因此在IEC测量热阻时做了一些改进，要求在壳底也要涂导热硅脂，同时对于热电偶的孔径也做了规范化，要求在2.5mm。

实验重复了30次，记录所有的测试数据。

美军标热阻最大值大概1.8，最小值大概是0.8，平均值在1.22，相对于1.22这个平均值，测量值有50%的散差，IEC在0.6-1.1之间，平均值0.81，散差为30%，51-14在0.45-0.6之间，平均值0.53，散差为5%。很明显JESD 51-14的重复性远远高于其他的测试标准。

另外，美军标的值是1.22，IEC的值是0.81，而JESD 51-14的值只有0.53，究竟哪一个才是真的结壳热阻，不同标准下，测量值有这么大的偏差，行业该如何去应用？

结壳热阻的定义

仅仅从文字上理解，结壳热阻的定义，应该是结温减去A点的温度，再除以功率得到的数值。

那么三个标准的测试值，哪个才是定义中的结壳热阻呢？答案是：三个都不是。

美军标的测量方式，由于壳底没有涂抹导热硅脂，温度传感器的温度相对于A点的温度有很大的差距。

如上图所示，工业应用中，器件和散热器之间，有一层薄薄的黄色材料，即导热硅脂，导热硅脂的目的是为了减小器件到散热器之间的接触热阻。从瞬态热测试的实验数据上看这层接触热阻，大概占到结到环境总热阻的40%左右，更大的可能会到60%。而结壳热阻大概也就占到总热阻的20%左右。

分析热电偶到结温之间的温差，一部分是结壳热阻造成的，另外一部分，是壳底到热电偶之间的接触热阻造成的。我们可以认为结壳热阻相对不变，而美军标的测量值存在50%的波动，大概率主要是由于接触热阻的变化导致的。

而IEC中，测量值的波动减小到30%，是因为测量的实验设计中，在壳底也涂了导热硅脂，因此误差相对较小，测量值也相对较小。

工程实践中，我们无法在应用中重复测量过程中的接触热阻，因此，对于用稳态标准的测试值去估算结温，至少会存在30%以上的偏差。

尽管JESD 51-14的测试值也会受到不同介质的影响，其数值要比实际的值也要大一些，然而因为其测试的重复性较好，实际应用中，如果我们通过一定的实验设计，或者使用相应的降阶模型，一定程度上，可以用来预测结温。

特别是大功率器件，其热阻可能更小，用热电偶去测壳温，因为壳温测量误差先天性比较大，壳温是有分布的，即使测中间的温度最高点（影响因素太多，特别是接触热阻的变化很大，实践中无法去定义这个温度），重复性也难以满足目前工程应用的要求。行业上目前主流技术都是使用瞬态热测试技术。瞬态热测试技术，可以转换成结构函数，如果散热路径不变，结构函数也不会变，而如果散热路径变化，结构函数会精确显示其变化对应的材料（包含界面热阻和接触热阻）和变化值，从而可以对散热路径做精确分析和定义。

结构函数还可以定义VC，浸没式，甚至将来的MLCP，芯片下面的微通道等等散热方式。由于该领域数据相对较少，为了让测试结果更合理，我们采用了测试和仿真相结合的方法，从仿真结果来看数据的合理性，从测试结果看方案的真实性能评价。

使用均温板优化散热路径

上图是在散热器上使用VC的结构函数测试结果，可见结到冷却液的总热阻由0.135K/W降低到0.09K/W，其散热性能得到了很大的提升。

浸没式的结构函数

在没有测试之前，我一直以为浸没式的散热效果应该比VC更好，然而测试结果却推翻了这个想当然，从结构函数上看，在被冷却对象和浸没液之间，存在一条很长的界面热阻，我分析大概是因为材料之间的浸润关系导致的，由于这段热阻的存在，导致浸没式反而没有VC的效果好。这个结果并不能说明VC比浸没式更好，基于当前的两个方案，VC要优于浸没式，其结果数据是非常直观的，或许更换介质可能会得到不同的结果，也用结构函数这个工具去评价，简单直观，精确明了。

由于找不到MLCP和微通道的样品，我们目前无法对这两组方案做结构函数的测试，希望未来有关厂家如果感兴趣，我方可以免费为贵司进行相关的实验设计并拿到相应的测试数据，一定程度上可以对贵司散热方案的性能和可靠性做精准的量化分析。

特别要强调的是，在功率密度越来越高的情况下，用典型测量点的数据来预测结温，误差是不可控的，只有基于结温数据的结构函数，才是第一性原理（因为结构函数直接测结温），其数据和模型有很高的重用价值。

审核编辑 黄宇