/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，才能完成精確熱設(shè)計(jì)，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)系列文章會(huì)比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測(cè)量方法。

為什么引入結(jié)構(gòu)函數(shù)？

在功率器件的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)系列文章《功率半導(dǎo)體殼溫和散熱器溫度定義和測(cè)試方法》和《功率半導(dǎo)體芯片溫度和測(cè)試方法》分別講了功率半導(dǎo)體結(jié)溫、芯片溫度、殼溫和散熱器溫度的測(cè)試方法，用的測(cè)溫儀器是熱電偶、紅外成像儀和模塊中的NTC和芯片上的二極管。

然而，由于被測(cè)器件表面和傳感器探頭之間的接觸熱阻、傳感器導(dǎo)線的熱流泄漏和被測(cè)物體表面上的溫度分布等原因，測(cè)量結(jié)果都不相同，測(cè)量結(jié)果是不可重復(fù)的。

相比使用熱傳感器，瞬態(tài)熱測(cè)量技術(shù)提供了更好的解決方案，但不方便的是，得到的Zth曲線。局部網(wǎng)絡(luò)模型(Foster模型)是在時(shí)域上的，沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)意義，所以很難用其準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)品封裝。

從數(shù)學(xué)上看可以將Foster模型轉(zhuǎn)換Cauer模型，Python和Matlab都有相應(yīng)的工具，但這種轉(zhuǎn)換結(jié)果并不唯一。就是說(shuō)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱阻(Rth)和熱容 (Cth)數(shù)組并不唯一確定的，在新的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)模型(Cauer模型)也沒(méi)有任何物理意義。因此，合并互不協(xié)調(diào)的Cauer模型可能會(huì)導(dǎo)致很大的誤差。參考《功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（七）----熱等效電路模型》

結(jié)構(gòu)函數(shù)分析方法克服了這些弱點(diǎn)。它將瞬態(tài)熱測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)變成熱阻和熱容的曲線圖，提供了從結(jié)到環(huán)境的每一層詳細(xì)的熱信息。這可以很容易并準(zhǔn)確地識(shí)別各層的物理特性，如芯片、DCB、銅基板、導(dǎo)熱層TIM和散熱器，甚至能讀出焊料層，以及像風(fēng)扇這樣的冷卻裝置。

雙界面法

瞬態(tài)雙界面法是獲取結(jié)構(gòu)函數(shù)的基礎(chǔ)，在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD51-14《用于測(cè)量半導(dǎo)體器件結(jié)殼熱阻的瞬態(tài)雙界面測(cè)試法》中有定義。這標(biāo)準(zhǔn)是T3Ster團(tuán)隊(duì)和英飛凌于2005年提出來(lái)的，2010年標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。

瞬態(tài)雙界面(TDI)測(cè)量方法是對(duì)安裝在溫控散熱同一功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行兩次ZthJC測(cè)量。第一次測(cè)量不涂導(dǎo)熱硅脂，第二次安裝正常工藝規(guī)范涂上一層薄薄的導(dǎo)熱脂。由于不涂導(dǎo)熱硅脂的熱阻大，兩條ZthJC曲線會(huì)在某一時(shí)刻tS處開(kāi)始明顯分離。

由于熱流一進(jìn)入熱界面層，兩條ZthJC曲線就開(kāi)始分離，因此此時(shí)分界點(diǎn)的ZthJC值ZthJC(ts)就是穩(wěn)態(tài)熱阻RthJC。

結(jié)構(gòu)函數(shù)

結(jié)構(gòu)函數(shù)是一種用于分析半導(dǎo)體器件熱傳導(dǎo)路徑上熱學(xué)性能的工具。它通過(guò)將瞬態(tài)熱測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為熱阻與熱容的關(guān)系曲線，提供熱量經(jīng)過(guò)的每一層（從結(jié)到環(huán)境）的詳細(xì)熱信息。

X軸是從結(jié)到環(huán)境熱阻Rth的累計(jì)值，Y軸是熱容Cth的累計(jì)值。

圖中每一種顏色區(qū)域代表的一層材料，如靠近原點(diǎn)的狹小粉紅色區(qū)域是芯片，第二部分是芯片焊接層……(本圖是借用JESD51-14，附錄A圖10，標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有做材料層解讀，本文用作定性示例解讀)

結(jié)構(gòu)函數(shù)可以清楚表征熱傳導(dǎo)路徑，展示半導(dǎo)體器件從芯片結(jié)到環(huán)境的一維散熱路徑。在這個(gè)路徑上，不同材料的熱阻和熱容參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)函數(shù)通過(guò)曲線的斜率、波峰等特征來(lái)反映這些變化。

結(jié)構(gòu)函數(shù)計(jì)算材料熱學(xué)性能，通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)，可以讀出每一層封裝材料的熱阻和熱容值。這對(duì)于評(píng)估材料的導(dǎo)熱性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)具有重要意義。

實(shí)測(cè)案例

這是1000A 1700V PrimePACK3 DF1000R17IE4D的熱阻測(cè)試過(guò)程：

首先獲得降溫曲線：

轉(zhuǎn)換產(chǎn)生積分結(jié)構(gòu)函數(shù)，但發(fā)現(xiàn)每一層的分界點(diǎn)不是很清楚：

通過(guò)微分找出分界點(diǎn)：

標(biāo)出區(qū)域，讀出數(shù)值：

區(qū)間1：結(jié)到殼的熱阻=0.0239K/W

區(qū)間2：殼到散熱器的熱阻=0.0244K/W

區(qū)間3：散熱器到環(huán)境

結(jié)構(gòu)函數(shù)的更多應(yīng)用

結(jié)構(gòu)函數(shù)為熱設(shè)計(jì)提供了重要的參考數(shù)據(jù)。通過(guò)分析結(jié)構(gòu)函數(shù)，熱設(shè)計(jì)人員可以了解器件在不同條件下的熱學(xué)性能，從而設(shè)計(jì)出更高效的散熱系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)函數(shù)還可以用于分析半導(dǎo)體器件的可靠性。通過(guò)監(jiān)測(cè)器件在長(zhǎng)時(shí)間工作中的熱學(xué)性能變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的熱失效風(fēng)險(xiǎn)，提高器件的可靠性。