半导体热阻测试条件变化导致热阻值的变化趋势

热的三维传导特性——散热路径中材料的热导率变化，会导致热阻值发生变化。

上图中，当蓝色材料的热导率很高的时候，温度场分布如左边的图，黄色材料参与散热的面积大概是中间一部分，根据热阻公式可以算出一个热阻值R_th1，而蓝色材料的热导率降低后，根据热力学第二定律，热会在黄色材料内部发生扩散，导致黄色材料的下表面散热面积增大很多（如右图），散热扩散角增大，也可以根据热阻公式算出一个热阻值是R_th2，可以看出蓝色材料的热导率变化会导致黄色材料的热阻发生变化。

对比这个两个值，R_th1大于R_th2，趋势是存在的，但是该变化并非线性，随着材料热导率减低到一定程度，会出现这个值的变化也会越来越小，呈现边际变化递减。

蓝色材料热导率的降低，可以认为是黄色物体下表面散热功率降低，蓝色材料相对于黄色材料可以认为蓝色材料是黄色材料的散热环境，结论就是环境的散热功率减低会导致热阻变小。

而当热源的功率变化时，由于热源的功率越大，散热扩散角也越大，其热阻值变小，而且也同样是边际变化递减，如下图所示。

工程应用中，我们对热阻做划分，分为R_thjc, R_thcs, R_thja, 当我们条件变化的时候，这些值又会出现如何变化？

这里的R_thjc，结壳热阻，是按照JESD 51-14标准测量出来的值，其物理意义是明确的，R_thja是结到环境的温度梯度除以器件的发热功率，环境温度可以认为不改变，是定值，这个值的物理意义也是明确的。而R_thcs指的是壳温和热沉之间的温度梯度除以功率，其物理意义不明确，在这里不做讨论。我们重点看看测试条件的变化导致R_thjc及 R_thja的变化趋势。

R_thjc结壳热阻其变化规律和黄色材料类似，而R_thja的变化规律则不同。

当我们对流条件从强制对流变成自然对流时，R_thja结到环境的热阻会变大，但结壳热阻会变小，随着对流的速度变小，也呈现边际变化递减，如下图所示。

当电流增大时，R_thja结到环境的热阻会变大，结壳热阻会变小，随着对流的速度变小，也呈现边际变化递减，如下图所示。

为什么电流增大会导致结到环境的热阻增大呢，这确实需要在导热逻辑上去思考一下。

电流增加导致功率增加，会使得结温上升，也就是结到环境的温度梯度增加，整个系统外等效的散热功率会增加，而当散热功率增加时，系统散热路径上实际参与散热的材料总和会减少（如果把环境抽象成一种材料的话，相当于材料由从低热导率变成的高热导率），导致结到环境的热阻会增大。

车规可靠性测试AQG324标准中，在功率循环后，对热阻的测试使用的是JESD 51-1的标准，我个人认为这有值得推敲。

AQG324希望通过功率循环测试出器件的降级寿命曲线，降级的限制条件是热阻的变化值（器件热阻上升20%，即认为器件失效），如果要减少寿命曲线误差，必须保证热阻测试的精度。业界也有应用认为并不需要对热阻的绝对值做测量，而只要保证热阻的相对变化值准确，我认为也是可行的。51-1的标准能够保证测试准确的是Vce，但是如果用Vce的变化值去表示热阻的相对变化值，我认为是不够的。

V_ce是变化只可以表示温度的变化，V_ce和温度同比例变化的前提是被测样品的温度系数K是线性的，实际上现在的车规器件逐步转向第三代半导体，其温度系数未必是线性的，这时候用V_ce的变化去代表温度变化，会存在误差风险。

而且在V_ce变化时，器件的加热功率也在变化，即使是温度梯度相同，其热阻也会有误差，而且热阻的变化值也无法准确的定位到具体的材料上。

既然AQG324标准用热阻作为评价指标，建议还是直接使用JESD 51-14的标准去测结壳热阻，以这个结壳热阻的变化值作为评价的指标，这样可以最大限度降低该项测试的先天误差。而因为测试条件的改变会改变结壳热阻的测试结果，所以另外一个需要注意的实验设计就是需要标准化测试环境，这就要求我们的实验条件满足在功率循环的同时，可以实现热阻的在线监测，避免因为测量环境的改变而导致热阻改变。