热测试-ETM法测量结温和瞬态热测试与结构函数

（一）ETM法测量结温

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θ_jc推算出结温。

T_j = T_c  θ_jc*P

     T_j  ：    结温

   T_c  ：  壳温

     θ_jc：  结壳热阻

     P   ：    功率

这个公式的原形是热欧姆定律

θ_jc =△T/P=（T_j-T_c）/P

△T=（T_j-T_c） ：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。

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θ_jc=（T_j-T_A）/ P，我们只有准确的测出A点温度，再根据准确的 θ_jc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 θ_jc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：

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。

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。

（二）瞬态热测试与结构函数

瞬态热测试的标准是JEDEC JESD51。

        JEDEC 固态技术协会是固态及半导体工业界的一个标准化组织，制定固态电子方面的工业标准。JEDEC 曾经是电子工业联盟（EIA）的一部分：联合电子设备工程委员会（Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC）。1999 年，JEDEC 独立成为行业协会，抛弃了原来名称中缩写的含义，目前的名称为JEDEC 固态技术协会（JEDEC Solid State Technology Association）。1995年开始，JEDEC JESD51系列标准规格化电子部件的结温测试方法为ETM（电气法），规定2种瞬态热测试的方法（动态法，静态法），被广泛应用至今。2010年11月，JESD51-14追加了瞬态热阻的规格（推荐冷却测试法为标准方案），用瞬态法测试电子部件一次元散热路径的结壳热阻，结构函数分析法被正式认定。

   关于动态法就不作介绍，下面主要介绍静态法。

图一 静态法瞬态热测试

  把被测电子部件按照JEDEC JESD51测试要求接电，按照以下步骤测试：

• 用小电流I₁（不会引起被测器件发热）测试被测器件的K系数；

• 施加恒定大电流I₂，在该电流下，被测器件开始发热，温度逐步升高，随着温度梯度（器件温度减去环境温度）增加，其散热功率也不断增加，直到加热功率等于散热功率，系统处于第一次平衡状态；

• 将I₂快速切换成I₁，切换速度为1us；

• 用1us的采样速度，对热感应电压连续采样，直到达到第二个热平衡状态（器件温度等于环境温度）；

• 使用第一步测出的K系数将热感应电压数据换算成温度数据。

   从采样的数据里，如果我们把时间作为横轴，热感应电压作为纵轴，我们可以得到一个电压随时间的变化曲线，通过K系数转换后，我们也可以得到一个温度随时间的变化曲线，而这条曲线反应的就是被测器件所在的电子设备的固有的热特性，如果你是一个专家，你完全可以直接使用这条曲线，而对于我们一般的工程师，还无法直接使用该曲线，别担心，数学家把这条曲线做了一个类似于拉普拉斯变换或者傅立叶变换的转换，把一个时域的曲线变化成横轴为热阻，纵轴为热容的空间结构曲线，我们称之为结构函数曲线，热容对应热平衡需要的时间，而热阻对应的是温度梯度。结构函数的原点代表结点，横轴是从结到环境热阻的总和ΣR_th，纵轴表示从结到环境的热容总和ΣC_th，在结构函数的末端，曲线直线上升，表示一维散热路径已经到达了环境，其热阻为无穷小，而热容是无穷大。

   结构函数的意义在于，我们通过结构函数可以清晰的分析电子设备从芯片的结到环境这样一个一维散热路径，用非破坏性的方式使其内部构造可视化。

图二 结构函数的意义

   芯片工作时，结温升高，结是一维散入路径的原点，也是温度最高的地方，结温通过Chip Die向外传播，Chip Die是热的良导体，热容比较大，而热阻比较小，其结构函数的特征是斜率比较大的线段，而后面热将从Die传导到Die Attach，虽然Die Attach很薄，但是它是热的不良导体，其结构函数的特征是斜率比较小的线段，如此，在一维路径上构建器件的材料反生变化，会导致结构函数线段的斜率发生改变。

   实际上热的传导是三维的，在现实中我们很难找到一个一维散热路径。但因为电子器件的散热方向基本固定，我们可以把热源（PN结）当成原点，而沿着等温面的法线方向拉出一条线，近似的认为这条线代表了该系统的一维散热路径。业内也通常用采用Cauer/Foster模型来进行建模。

   结构函数可以认为是电子设备固有的属性，和施加到被测芯片的功率大小没有直接的关系。一旦电子设备的结构函数被准确测出，我们就可以用结构函数来分析该电子设备的一维散热路径，而不必纠结于构成该电子设备的不同材料的物性和导热参数等等。

   前面提到了电源切换的时间和采用速度，还有一个指标是电压的分辨率，硅器件大概是温度变化一度，电压变化是1mV，Mentor T3Ster对电压的分辨率是12uV，也就是说T3Ster测量结温的精度是0.01度，用这样高精度瞬态热测试导出的结构函数，可以作为热分析强大的工具，在后面的章节，我们开始介绍结构函数的应用。

作者简介：陈继良，仿真秀专栏作者，文章节选自机械工业出版社发行，陈继良老师编著的《从零开始学散热》，点击可订购。