半導體的結(jié)溫，是電子產(chǎn)品熱設計繞不過去的關鍵點，大部分電子熱設計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，盡可能降低成本。然后實際芯片工作過程中，結(jié)溫測試是一個行業(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的測量就相當重要了，為了工業(yè)能廣泛應用，行業(yè)也因此出現(xiàn)了很多測試標準，其中，美軍標(MIL-STD-883E)，IEC 60749-34，及JEDEC的標準，應用比較廣泛。

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

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

美軍的實驗設計，結(jié)溫是ETM計算，殼溫的測量，用熱電偶放在器件的正下方，對孔徑并沒有嚴格要求，熱電偶涂以導熱硅脂，但殼底并沒有涂抹。

由于汽車功率器件功率密度的提升，用美軍標的標準測量誤差變大，因此在IEC測量熱阻時做了一些改進，要求在殼底也要涂導熱硅脂，同時對于熱電偶的孔徑也做了規(guī)范化，要求在2.5mm。

實驗重復了30次，記錄所有的測試數(shù)據(jù)。

美軍標熱阻最大值大概1.8，最小值大概是0.8，平均值在1.22，相對于1.22這個平均值，測量值有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的重復性遠遠高于其他的測試標準。

另外，美軍標的值是1.22，IEC的值是0.81，而JESD 51-14的值只有0.53，究竟哪一個才是真的結(jié)殼熱阻，不同標準下，測量值有這么大的偏差，行業(yè)該如何去應用？

結(jié)殼熱阻的定義

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

那么三個標準的測試值，哪個才是定義中的結(jié)殼熱阻呢？答案是：三個都不是。

美軍標的測量方式，由于殼底沒有涂抹導熱硅脂，溫度傳感器的溫度相對于A點的溫度有很大的差距。

如上圖所示，工業(yè)應用中，器件和散熱器之間，有一層薄薄的黃色材料，即導熱硅脂，導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)熱測試的實驗數(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。我們可以認為結(jié)殼熱阻相對不變，而美軍標的測量值存在50%的波動，大概率主要是由于接觸熱阻的變化導致的。

而IEC中，測量值的波動減小到30%，是因為測量的實驗設計中，在殼底也涂了導熱硅脂，因此誤差相對較小，測量值也相對較小。

工程實踐中，我們無法在應用中重復測量過程中的接觸熱阻，因此，對于用穩(wěn)態(tài)標準的測試值去估算結(jié)溫，至少會存在30%以上的偏差。

盡管JESD 51-14的測試值也會受到不同介質(zhì)的影響，其數(shù)值要比實際的值也要大一些，然而因為其測試的重復性較好，實際應用中，如果我們通過一定的實驗設計，或者使用相應的降階模型，一定程度上，可以用來預測結(jié)溫。

特別是大功率器件，其熱阻可能更小，用熱電偶去測殼溫，因為殼溫測量誤差先天性比較大，殼溫是有分布的，即使測中間的溫度最高點（影響因素太多，特別是接觸熱阻的變化很大，實踐中無法去定義這個溫度），重復性也難以滿足目前工程應用的要求。行業(yè)上目前主流技術都是使用瞬態(tài)熱測試技術。瞬態(tài)熱測試技術，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)也不會變，而如果散熱路徑變化，結(jié)構(gòu)函數(shù)會精確顯示其變化對應的材料（包含界面熱阻和接觸熱阻）和變化值，從而可以對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。由于該領域數(shù)據(jù)相對較少，為了讓測試結(jié)果更合理，我們采用了測試和仿真相結(jié)合的方法，從仿真結(jié)果來看數(shù)據(jù)的合理性，從測試結(jié)果看方案的真實性能評價。

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)

在沒有測試之前，我一直以為浸沒式的散熱效果應該比VC更好，然而測試結(jié)果卻推翻了這個想當然，從結(jié)構(gòu)函數(shù)上看，在被冷卻對象和浸沒液之間，存在一條很長的界面熱阻，我分析大概是因為材料之間的浸潤關系導致的，由于這段熱阻的存在，導致浸沒式反而沒有VC的效果好。這個結(jié)果并不能說明VC比浸沒式更好，基于當前的兩個方案，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)可能會得到不同的結(jié)果，也用結(jié)構(gòu)函數(shù)這個工具去評價，簡單直觀，精確明了。

由于找不到MLCP和微通道的樣品，我們目前無法對這兩組方案做結(jié)構(gòu)函數(shù)的測試，希望未來有關廠家如果感興趣，我方可以免費為貴司進行相關的實驗設計并拿到相應的測試數(shù)據(jù)，一定程度上可以對貴司散熱方案的性能和可靠性做精準的量化分析。

特別要強調(diào)的是，在功率密度越來越高的情況下，用典型測量點的數(shù)據(jù)來預測結(jié)溫，誤差是不可控的，只有基于結(jié)溫數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)，才是第一性原理（因為結(jié)構(gòu)函數(shù)直接測結(jié)溫），其數(shù)據(jù)和模型有很高的重用價值。

審核編輯 黃宇