浅谈满足JESD 51-14标准的瞬态热测试设备
浅谈满足JESD 51-14标准的瞬态热测试设备
01 为什么热测试要瞬态数据
温度的测量，印象中很简单，温度计有很多种，很多温度值都可以直接读出来。工业应用上，想知道半导体结温，却并不那么容易。 半导体结温是电子产品热设计的红线，为了保证电子产品可以运行，并保证一定的可靠性，我们需要让结温一直保持在某一个值以下运行，所以电子产品的结温预测及结温实时测量便成了电子热设计工程师的日常工作。 实际应用中，工程上常用热阻作为工具去预测结温，热阻的定义是1W的热量带来的温升，也就是温度梯度除以功率，我们已知功率，结合热阻得到温度梯度，通过对壳温的测量去估算结温，早期的热阻是通过JESD 51-1的标准去测定的，且假设这个值不会发生变化。当功率密度不高的时候，这是非常简单实用的方式，实际上热阻这个值是变化的，但是变化并不大，因此如果留一定的余量，基本上可以满足热设计的要求。 21世纪以来，尤其是最近十几年，新能源的兴起，对这种热设计的方式提出了挑战。新能源主要是电动车，光伏，风电等等，其电控离不开功率器件，而功率器件的功率密度越来越高，用热阻来估算结温，存在很大的误差。 温度场是三维的，热量并不那么听话，热流就好比水流，那里存在压差（温度差）就往哪里去，这导致传热路径难以预测。热阻公式在导热路径接近层流的时候，比较准确，而一旦散热路径不是层流，用热阻预测结温就会产生不可避免的误差。 
图一 温度场是高斯分布
传统JESD 51-1的标准，无法解决这个问题，因为对于三维的信息，用一维的公式无法准确的表征。2010年，行业推出JESD 51-14，用结温的变化来测量实际的散热路径，并且引入结构函数。（参考文章：瞬态热测试与结构函数） 结温，我们可以理解为三维的散热路径的综合表现，这个三维散热路径的信息无法直接测量，于是我们在高维度上去找方法，在结温信息上，加上时间轴，用结温的变化尝试去解析三维空间的散热路径，并用结构函数去表达这个三维空间的散热路径。 02 结构函数的物理意义
关于结构函数，前面写了太多的文章。结构函数是通过实际的物理测试，并通过数学计算得到的，可以理解，结构函数是实际散热路径的数学表达，如果散热路径不变，结构函数就不会变，而和功率，温度等等无关。在结构函数的图谱上，表现出的是结构函数的重合——如果在热容相同的区域，结构函数完全重合，可以认为，其散热路径没有发生变化。 目前没有物理量纲去描述温度场这个物理现象，但温度场是客观存在的，也应该是可以计量的。热阻这个量纲是一维层流温度场的物理量，无法描述三维温度场，而结构函数体现了实际热传导路径对结温的映射，是可以描述三维温度场的。 很多人希望在结构函数上找到每一层材料对应的热阻，但我们认为结构函数在材料的热阻上是模糊的结构分析，因为材料的界面上的温度一般都不是一个值，而是大概率呈高斯分布，无法用一个热阻值来准确评价所有的材料及界面。 我们可以换一个思路，结构函数有热容值，也有热阻值，每一个热容可以对应散热路径的材料总和，客观上解析，既是在结构函数中，该热容值下的热阻值，对应的等温面所包含的材料总和的热容，这个物理意义是确定的。 
图二 局域结构函数
所以只立足于某一个点温度测量的热阻值，其实并没有实际的物理意义，而结构函数的特定的热容对应的热阻值，才有物理意义，我们可以在局域结构函数上看得很清楚，如果器件在某一个材料上发生了散热路径改变，可以清楚的看到该热容值对应的热阻值的变化。 03 如何判别设备是否满足JESD 51-14
结构函数有很多功能和应用，准确测试出结构函数的设备必须满足JESD 51-14的标准，如何判断这个设备是否满足JESD51-14呢？ 如果用一个JESD 51-1的标准，一直采集降温信号，也能输出类似于结构函数的曲线。 
图三 基于51-1的高频采集设备的结构函数
上图为两种不同封装结构的 LED 样品的分析图。这个貌似的结构函数，其实有很多问题。 其一，如果只是封装不同，结构函数其他部分的曲线应该是重合的，只有对应封装的结构函数才会存在差异，而上图的两条结构函数完全不重合。实际上，如果把黑色的曲线右移一格左右，你会发觉曲线的形态上有几分相似，也就是说，这部分比较相似的曲线，从物理上可能是同一种材料，只是这种结构函数无法表征罢了。 其二，结构函数的形态体现的是材料对温度场影响的变化，我们常识上可以知道，远离热源的温度场不可能存在剧烈的变化，而图上的红框区域，存在大量的波动和折皱，这种波动和折皱表示是温度场发生了剧烈的变化。所以，要不就是体现这种波动和折皱的数据是错误的，要不就是这个结构函数的算法存在问题。 其三，结构函数的目的是对一维散热路径做细致的分析，上图对比的结论是芯片粘接和散热方面工艺上得到很大的改进，芯片粘接可能是前面的部分对比，散热工艺就不知道怎么得出来的，而且这种改进是无法定量的。其实如果定性的比较，直接用稳态结温对比也能得出类似的结论，强行转换成所谓结构函数，有点掩耳盗铃之嫌了。 8月14日，本人应香港应用科技研究院邀请去参加第三代功率器件相关的专题会议，并做了汇报。我在报告中明确了我的个人意见：对于第三代半导体的功率循环实验，结构函数是不可或缺的工具。 硅器件的功率循环，其失效的判断标准是20%的热阻增量，而热阻大多数应用的是IEC60749-34：2011的测量标准，该标准等同于JESD51-1，热阻的计算是用结温和某测量的温差除以样品的功率。 基于这样一个标准，我个人的判断是，该标准大概率是电专家搞出来的，而电专家对热的理解还不够深刻，这种标准在判断硅器件的失效时，重复性还不错，但是对于第三代半导体来说，以前适用于硅器件的失效模型，未必能适用于SiC。不莱梅大学和塞米控有一篇论文，2021年发表在ISPSD（IEEE International Symposium on PowerSemiconductor Devices的缩写，中文直译为“电力半导体器件国际研讨会”），该论文的结论就是适用于Si器件的寿命模型，未必适用于SiC。
图四 Si IGBT和 SiC MosFET的退化差异 从上图Si器件和SiC的退化是不一样的，Si器件失效时，热阻加速上升（左图红色 区域），因此，由于热阻测量误差导致的功率循环次数的误差不会太大。而SiC的失效是渐变的，20万次热阻开始变化，缓缓上升，而IEC 60749-34：2011的测量标准计算的热阻因为其在散热路径上的物理意义发生变化，误差比较大，实际SiC功率循环的数据重复性并不好。结构函数可以解决这个问题，我们可以对比同一个热容值下面热阻的变化，这个热阻值的物理意义是明确的。（参考文章：破析 AQG 324 功率循环实验（PC）失效判定标准） 从香港回上海的路上，还有一个小插曲，出租车司机是一个浙江裔香港人，攀谈中，他说国内的企业不够诚信，并判断大陆如果走向国际贸易，还是需要依靠香港人。且不说他的观点正确与否，他说中国企业在诚信上有瑕疵，我却是无话可说的。 前一段时间招标，客户需求是需要设备满足JESD 51-14标准（参考文章：关于JESD51-14标准的理解和说明）。其中有一个供应商提高的数据曲线，瞬态热阻，结构函数如下。 
图五 瞬态降温曲线
图六 瞬态热阻
图七 结构函数
无论散热路径怎么变化，在时间上，温度的变化是连续的。图五中温度变化曲线有明显的折痕，在图六中表现也是折痕，在图七的结构函数中也一些凸起（见图中红色框线中的部分），这些折痕和凸起，肯定是不对的。而且，图七中，结构函数前端的数据也没有。 如果要得到准确的结构函数，数据的时间坐标非常关键，在冷却过程中的数据，要完整采集，并通过数据处理，变成结构函数，其中时序要求，采样数据，数据处理，数学算法，都会对结构函数产生影响。我猜想上图中的数据来自于不同频率的采样卡，因此在时序上存在误差，而结构函数的计算，又不是一个简单的数学计算，结构函数的计算过程中，要对误差进行处理，而误差处理的依据就是采样数据，如果得不到准确的数据，要想做出结构函数，并验证结构函数准确性，是有非常大的难度的。 就是这样的数据，这样的结构函数曲线，该设备供应商坚称自己是满足JESD 51-14标准的，也难怪那个香港司机说我们大陆不够诚信，我们不能为了生意盲目承诺，行既是行，不行就不行，盲目承诺最后是大家都受损，当客户发现交付的设备无法满足应用要求，只能要求退货，这样的结果对所有人都会造成伤害，谁都不会从中收益。 因为JESD 51-14有一种双界面法测结壳热阻，很多人误认为只要能做双界面就是满足JESD 51-14。我们可以这样理解，双界面法只是结构函数的一个应用，随着器件的横向散热面积越来越大，双界面法也存在一些问题（参考文章：Rthjc 结壳热阻测试及案例分析）。而结构函数的应用，远远不只是双界面。 一个简单的判断方式，满足JESD51-14标准的设备，大电流切换到小电流一定是1us，为了保证数据的完整性，要用连续变频的采样卡，这就要求设备供应商自己开发电子开关和采样卡，如果供应商提供的信息显示，其设备的采样卡是采购的，那么就可以判断，该采样数据是无法满足JESD 51-14。实际上普通的高频卡确实可以采到微秒级的数据，但如果器件测试的时间很长，由于数据量太大，无法对整个测试过程做完整采集，以上方图示的厂家为例子，该厂家设备通常测试半个小时左右，就会出现死机的现象，主要原因就是因为数据太大。 04 尾声
更直接的办法，就是用设备对样品测一测，看看原始数据，瞬态热阻，结构函数等等。本月8月28日-30日，深圳的PCIM展会，鲁欧智造携满足JESD 51-1、JESD 51-14的半导体瞬态热测试设备，恭请您的莅临。展台位置：11号馆，C64展位，现场有一台CX-mini，可以直接对小型的芯片做瞬态热测试，输出满足JESD 51-14的数据，并可以导出散热路径的结构函数，让您近距离了解，什么是真正满足JESD 51-14的瞬态热测试设备。
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首次发布时间：2024-08-25
最近编辑：4月前
