Rthjc 结壳热阻测试及案例分析
Rthjc结壳热阻，是半导体的重要的指标之一，我们经常在半导体器件或模块的Datasheet里面看到一些数据，比如Rthjc等于0.56K/W。从某种意义上说，这个数据也表征了半导体的热性能，因此，无论是半导体供应方，或者是应用方，都会关注这个数据。什么是热阻？热阻用于衡量热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。业界常用的热阻计算公式热阻等于温度梯度除以功率，这个公式也叫热欧姆定律。这里的温度梯度指的是两个点的温度差，结壳热阻的温度梯度指的是结温和壳温之间的温度梯度。类似于结壳热阻Rthjc，还有Rthja（结到环境）， Rthjb （结到底部，结到PCB），Rthjt（结到顶部）， Rthjs（结到热沉）， Rthjw（结到水），Rthjf（结到散热液）等等，其中温度梯度都是指的结温到某个温度测量点之间的温度差。结壳热阻的温度梯度是结温到壳温之间的温度差，但是壳温是怎么定义，又是怎么测量呢？当器件工作时，Case上的温度并不是一个单一值，无论是器件的上表面和下表面，温度基本都是高斯分布，也就是大概中间热，越向边缘，其温度越低，所以很多标准会把壳温定义为壳上温度最高点的温度。理想状况下，这个温度最高点应该是Case面的中心位置，但由于材料和工艺的问题，实际的产品所用材料并非均质，温度最高点未必是其中心，而决定于其实际的散热路径。这就给实际应用中对于壳温的测量带来了很多问题，由此也产生了很多测量标准。如上图，器件壳温测量点通常是器件的上表面的中心位置，比如贴上一个热电偶，可以得到其温度。随着器件的功率密度越来越高，在散热结构上做了改进，不再把器件直接放在空气中，而是加个热沉帮助其散热，这时器件向热沉的散热路径是主要散热路径。由于热沉的存在，壳温测量反而成了一个难题。A点是主要散热路径上Case面中心位置的点，也是理论上温度最高的点。但是该点的温度测量比较麻烦，早期的办法是在热沉下面打个测量孔，然后埋上一个热电偶。因为测量孔所在位置的散热性能远远低于热沉的整体散热性能，导致这个测量孔打在哪里，可能哪里就是温度最高点，测量孔改变了系统的散热路径，这样测量的结果一定是有误差的。为了改变这种现状，测量标准对测量位置又做了修改，测量孔不打透，在热沉上留2mm的距离。尽管这种设计改善了测量孔对散热路径的影响，但是也会产生了其他的误差——似乎并没有一个完美的测量方案。2010年JEDEC颁布了JESD 51-14的标准，通过双界面法测定器件的结壳热阻。双界面法的基本假设，结构函数表示系统一维散热路径的本征热特性，和功率无关。对比上图的实验，结构函数在Rthjc等于4.2K/W处发生了分离，实验改变的只是器件外部的散热路径，因此结构函数改变的位置所表征的热阻值，即是器件本身的结壳热阻。这种方式因为重复性很好，而被业内广泛使用。对比Rthjc——JESD 51-14 & 通过结温和壳温的温差计算：通过上表对比，可以看出，通过两种方式测量的Rthjc，虽然名称相同，但是其物理意义是不同的。下面我们尝试用一个案例来说明双界面法的Rthjc的实际物理意义。测试条件，加热电流80A，测试电路0.1A，冷板为鲁欧智造研发的TC控温台（控温精度0.01度），温度控制25°C。双界面使用导热硅脂和硅油（第一次涂抹硅脂，第二次在器件和冷板之间涂抹硅油）上图的分离点是比较明显的，肉眼观测，分离点大概在热阻值为0.22K/W位置附近。其他的条件都不变，只更换介质条件，双界面用干接触和硅脂，结构函数如下图：从上图，观测的分离点大概是0.15K/W的位置附近。问题来了，究竟是0.15K/W是器件的结壳热阻，还是0.22K/W是器件的结壳热阻？双界面法发生明显的分离，如果希望是肉眼可观测的，应该是热容和热阻均发生明显变化的位置。我们分析图七，干接触和导热硅脂，虽然0.15K/W处开始分离，但是由于干接触和硅脂的热容都比较小，在分离之前，有一段很长的热容变化不大，而热阻变化比较大的重合部分，虽然这个部分是重合的，却不能把这部分认为是器件本身的热阻。实际上，当热容变化较小时，实际的结构函数很容易错位重合，仅仅凭借肉眼，是很难判定实际的分离点的。而图六，分离点在0.22K/W附近，尽管热容热阻都有明显变化，但其后面没有一段体现硅脂或者硅油这种热容低，热阻高的曲线，分离点的实际物理意义，也不是结壳热阻。综合上述两张图，个人判定，该器件在80A的电流下，用相应的冷板，其实际的结壳热阻应该小于0.15K/W，可能在0.09或者0.08K/W附近，或者更小。针对以上问题，建议对本双界面实验重新做实验设计，可以设计为导热硅脂和焊接冷板上两种接触方式做比较。这两种方式，一种是热容急剧增大而热阻变化不大，另外一种，是热阻急剧增大，而热容变化不大，这样的分离点会更有说服力。实际上所谓的结壳热阻也是人为的概念值，其分离点对应的实际物理意义并不明确——很难在实际的壳上找一个温度测量点和该值对应起来，也就是说，即使有一个准确的值，也很难通过实际温度测量点的测量去估算结温。而随着器件的几何复杂度的增加，这种现象会越明显。业内用Rthjc来评价器件的热特性，某种程度上说，也是不得已而为之的办法，如果要准确的描述器件的热特性，最终还是需要建立器件的详细热模型，也就是热数字孪生体，而基于热数字孪生体的降阶模型，对应结温的实时计算，哪怕是用很小的计算量，也能保证一定的精度，从而实现热电联合设计。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-01-31
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