关于JESD 51-14标准的理解和说明

物质的导热和导电无论从微观的机理及宏观的公式都非常相似，但也有本质的不同。自然界中，电的传导大部分是一维的，而热的传导大部分是三维的。而热传导的三维特性也使得热测试必须执行相应的测试标准以保证测试数据的物理意义及重复性。据我了解，目前最先进的热测试标准是JEDEC 的JESD 51-14，2010年发布，尽管后面也产生了一些新的测试标准，但基本测试原理并没有质的改变，都是在特定条件下，去测试某一个三维温度场的一维散热路径。

JESD51-14标准很长，英文原文一共有36页，详细描述了测试的定义，方法，测试条件，测试数据的获得和处理，以及测试结果的说明。为了能更好的应用这个测试标准，我们通读了这个测试标准，做了简单的总结，难免有疏漏，也请诸位海涵。

 01

 我们先看看测试数据测什么，怎么测？

详细的测试方法，这里就不再重复，标准要求测试几个重要的参数。

• 加热电流：加热样品的电流强度；

• 加热电压：热平衡后，样品两端的导通压降（这是一个变化值和温度相关），用电流值和电压值，可以准确的计算出热平衡时加载被测样品上的功率大小；

• 测试电流：选择一个高信噪比的测试电流以降低测试的误差；

• 高信噪比：由于瞬态热测试非常敏感，测试数据的质量是保证测试结果的前提；

Ø  T_0j的计算：T_0j即是0秒时的结温，由于电流切换时存在测试噪声，我们无法直接测试出0秒时的结温，可以通过后面的数据用相应的公式计算出来，从而得到完整的Z_th或者结构函数曲线；

• 采样数量：每个时间段至少50个采样点，这里的时间段是对数时间段，因为温度是时间的对数轴，采样点首先要求有足够的样本，还要求全面且均匀。

这些要求都是JESD 51-14标准的必要条件，如果不能满足上述条件中任何一项，我们就不能说我们测试出来的数据可以满足JESD 51-14的标准。 

02

 T_0j的计算，如下图：

假设一个均质的一维散热路径中，计算公式温度梯度等于单位面积上的功率和时间的平方根的乘积，再乘以一个系数K_therm，而K_therm的计算公式如上图，可见K_therm和材料有关。在芯片的导热路径中，我们可以认为Die内部的热传导可以近似为一维散热路径，而到了Die Attach，由于材料和装配关系的变化，热导率，密度，热容等已经无法准确计算，也就无法得到准确的T_0j，这就要求我们用来计算0秒结温的温度采样点必须是Die内部的数据，从经验上，应该是时间常数小于1ms的材料的数据，从上图中时间平方根的温度曲线，也可以看出，大约1ms以前的数据都是线性的，而1ms以后曲线开始弯曲，不再满足线性关系。这就要求我们用来计算0秒结温的采样点一定要在Die的内部。

为了能够准确快速地得到0秒结温，常用两个点的反向延长线的方法（外插法），这两个点也要求是在Die的内部，才能保证时间平方根的线性关系。比如噪声消失的时间是50us，在这个时间点上选一个点，另外一个点可以取500us的值，在时间平方根和温度分别为X和Y轴的坐标系中，可以很快得到0秒时的结温。

关于这个公式的理论推导，JESD 51-14标准中并没有过多的提及，只是交代了一句：其计算结果经过多次实验验证，已证明其正确性。 

03

 JESD51-14规定了测试结壳热阻的两种分离法，即Z_th分离法和结构函数分离法，两种方法互为补充。从实际应用的角度上，以器件的结壳热阻为1K/W为分界线，如果大于1，结构函数比较适合，Z_th方法分离过早，测得的结壳热阻值偏小；如果小于1，Z_th法比较合适，而结构函数法常因数值处理的原因存在虚假峰等因素的干扰而失效。

Z_th是结温随时间的变化曲线，当器件的结壳热阻较大时，由于瞬态的热流分布不饱和，实际测出来的值要小于稳态热阻R_thjc。而结构函数的误差主要来自于反卷积计算的分辨率有限，常见主流的结构函数处理软件，其分别率大概是150-200阶，其对输入数据及噪声极其敏感，而且信噪比也是另外一个误差因素。 

04

 JESD 51-14 在标准正文的结尾，要求自测试报告中，必须完整记录测试表提供的相关热学数据信息，要写清楚测试的范围，条件参数，以及相应参数和结果数据。也明确指出，没有这些数据信息，测试结果报告是没有明确的意义的。

我的理解，每个R_thjc 或者是Z_thjc，都有确定的对应条件，我们也做过类似的实验，对于某个IGBT器件，我们用20W的功率，测试Rthjc的值要比40W的测出的值要大，而40W的又比60W的大，60W的和80W的测试值比较接近。这便可以说明，在不同的条件下，测出来的值并不完全一样。

尽管JESD 51-14标准对测试结壳热阻的方法做了很多细节的规定，其测试数据也有明确的物理意义，但是随着功率器件的结构设计越来越复杂，横向面积越来越大，甚至是双面散热的器件，Rthjc值的实际应用，也受到了很多限制，如果无法确定壳温的准确测量位置，根据结壳热阻去评估结温，自然也是无处谈起。

前面也曾说过，JESD 51-14是目前最先进的瞬态热测试标准，在热设计热测试的实践应用中，我们首先要理解JESD 51-14的标准内涵，结合实际的工程问题加以运用，通过明确的，可比的，重复性高的测试结果，去帮忙探索热设计领域中问题，分析问题产生的原因，形成解决问题的思路，并且通过后期的实验去验证，从而不断积累该领域的知识和应用技术，甚至不排除产生更新的更先进的热测试标准。