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热测试(一)——ETM法测量结温

2年前浏览2313

电子产品热设计总体包括两大重要环节,热仿真和热测试。热仿真是应用CFD软件对被测目标(芯片,PCB,系统,超系统)进行模拟,从而预测被测目标的温度分布。

热测试——通过各种手段,推算或者测量芯片的结温。因为结温是热设计上限,控制结温是热设计非常重要的目标。传统测量结温的方法一般都是通过测量壳温,再根据θjc推算出结温。

T= T θjc*P

     T :    结温

   Tc  :  壳温

     θjc:  结壳热阻

     P   :    功率

这个公式的原形是热欧姆定律

θjc =△T/P=(Tj-Tc)/P

△T=(Tj-Tc) :结到壳的温度梯度

该公式脱胎于电欧姆定律R=U/I 电阻=电压/电流。热阻对应于电阻,温度梯度对应于电压的压降,电流对应于功率。

这说明热传导相对于电传导有一定的可比性。电的绝缘体的电阻率大概是1010欧姆·米,而常温下,电的良导体铜的电阻率是0.0172(µΩ• m),两者相差接近20个数量级;反观常温下热的绝缘体空气的热导率大概是0.026W/(m·K),热的良导体铜的热导率大概是385 W/(m·K),两者相差仅仅5个数量级。这就说明热的传导,不可能像电传导那种一维传导路径,而是一种三维空间的传播方式,因此我们在使用热欧姆定律时,必须要考虑一些限制条件。

下图是功率元件三维热分布的示意图。

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图一 功率元件的三维空间热分布

上图黄线上半部分是芯片(功率元件),下半部分是热沉,通过任何一个仿真软件抽取出的等温面(二维图即是等温线,如果上图所示),可以看出,在热沉和芯片之间的接触面上(黄线所示),其温度是按照中间高周围低这样一个规律分布的,最高的显然是A点,第一个到达热沉的等温面。按照结壳热阻的定义θjc=(Tj-TA)/ P,我们只有准确的测出A点温度,再根据准确的 θjc推算出结温。然而实际应用上A点温度很难测量(有一种方式是在热沉上钻一个洞,这种方式测出来的也未必觉得准确),工业上通常用测量最近的管脚B点的温度来替代A点的温度,而上图可以清楚的看出,B点的温度显然要比A点的温度要低几个温度梯度,这样推算出来的结温要比实际结温低,如果用这个结温作为设计的目标,系统的安全性就得不到到保障,为了弥补这个问题,不同生产厂商,他们的datasheet里面 θjc都存在一定的冗余量(Margin)来防止设计时对结温的过低评估, 但是冗余量在业界并没有标准化。

实际上壳温的测量也非常困难,工业上常用测量壳温的工具是热电偶和红外摄像仪,不同的大小的热电偶,不同贴热电偶的方式,不同使用的人,都会带来不同的误差。而红外摄像仪测量温度需要设置热辐射率,这个热辐射率只能设置一个值,测量温度分布是没有问题,温度的精度就难以保证了。

也就是说,按照datasheet里面 θjc,结合测量的壳温推算出来的结温比实际结温要高,而高多少,并不知道。

有没有办法能够准确知道结温呢,当然是有的,用ETM(电气法),如下图:

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图二 ETM法

根据结电流-电压特性方程,在一定的电流下,可以看出结温和结电压成负线性相关,也就是说,如果知道该元件线性相关的斜率K,只要用测试电流(该测试电流很小,不会引起器件发热)测出结电压,就可以知道结温。用这种方式测量结温的精度,取决于电压测试的分辨率,其重复性非常高,如果电压的分辨率可以保证的情况下,精确度也可以非常高。

K系数的测量方法也很简单,通过一个控温设备(冷板,恒温箱等)去控制环境温度,给被测器件通上测试电流(该电流不会引起器件发热),把被测器件放置在控温设备中,通过改变环境温度,会得到不同的结电压,连线后,很容易得到该器件在该测试电流下的K系数。

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图三 K系数的测量

到目前为止,我们具备了瞬态热测试的基本条件,在后面的章节,我们会介绍静态法瞬态热测试技术,以及探讨结构函数在电子设备热设计中的具体应用。

未完待续

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首次发布时间:2021-07-05
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本科 | 销售总监 allenchousf
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