热物性数据及热测试标准
热物性数据及热测试标准
2023年的11月11日，上海市热物性大数据专业技术服务平台委员会第一次会议在上海第二工业大学隆重召开。作为平台的企业委员会成员，鲁欧智造受邀列席，鄙人也很荣幸地代表鲁欧智造全程参加了本次会议。
随着产品的功率密度越来越高，热害逐步成为影响产品性能和可靠性的重要因素。一方面，低碳和热控技术领域的重大战略需求，要求能精确控制产品温度场，另一方面，行业提供的热物性数据又非常的粗糙，需求驱动行业必须形成更高层次、更精确的热物性数据提取及应用技术。 我想也是在这样一个背景下，上海第二工业大学向上海市科委申报“上海市热物性大数据专业技术服务平台”并获批。平台提供覆盖热物性数据处理全生命周期、内涵丰富、结构合理的综合数据存储、分析及服务，助力芯片散热、新能源汽车热管理、建筑节能、航空航天热分析等领域“卡脖子”难题的解决。平台集聚高校优势资源，通过提供核心材料及设备热物性数据的检索、挖掘、预测、推送等一体化服务，支撑国家战略性新兴产业和上海三大重点先导产业的发展。 工程应用中，常用的热物性数据有热导率，热扩散系数，比热容，热阻，换热系数等等，热物性数据并不是一个恒定的值，而且有一定的测量难度。在实际的应用中，需要考虑到工程边界条件而选择合适的值，这无疑是给工程师增加了很大的难度，因而导致理论计算的结果和样机的测试数据产生很大的偏差。而这个偏差并不完全是理论计算导致的，因为热测试数据本身也会产生很大的误差。热测试数据的误差大概也分两种，第一种是设备的测试误差，这个相对比较好解决（通过规范测试方法，和多次重复测试）；第二种是测量值的物理意义的偏差，这需要测试者对数据的物理意义做明确的定义，而因为传热路径是三维的，这种测试数据的物理意义，通常会在不同的条件下发生变化，因为必要的实验设计是测试的前提，得到的数据才是可解读的。 对实验设计的规范化，产生了热测试标准。早期的热测试通过热电偶和红外等测温技术，也有一些测试规范或者标准，热电偶测的是点温度，红外测的是面温度分布，尽管设备便宜，操作简单，但是由于测试数据无法准确反映温度场的精确分布，在实际应用中，通常作为趋势分析或者参考。 上世纪70年代，基于半导体IV特性曲线，先测量结电压-温度之间的关系——K系数，从而通过ETM法直接测结温。ETM的结温测试数据表征了芯片发热区的平均温度，因此也产生的相关的测试标准并不断被补充。 
图一 部分热测试常用标准
ETM法的优点是可以直接读出结温，缺点是需要在加热电流和测试电流之间做切换。早期的标准主要是通过测试结温的稳态值去研究和分析温度场，有很大的局限性。 MIL-STD-883E是80年代的标准，MIL-STD-883E 的 METHOD1012.1 规定了热特性测试的定义和步骤，还定义了结壳热阻，并规定了测量方式。 
图二 MIL-STD-883E 测试装置示意图
上图是装置的示意图，将要被测试的半导体器件样品放在水冷式铜冷板上，直接用热电偶测量的壳体表面温度。从顶端施加压力使器件外壳与冷板保持适当的接触。 为了测量器件与冷板接触的外壳温度，在冷板上开个孔，使热电偶贯穿。热电偶的前端需要焊接，引线需要电气绝缘（如图：热探测组件的部分）。热电偶的前端需要与外壳直接机械接触，因此需要具备压力控制机构标准化接触压力。 接合部使用了导热硅脂保证接触热阻相对不变。壳温 Tc 的定义：外壳温度是指安装有微电子芯片的封装上指定的可接触基准点的温度。此外，热电偶尽量靠近底部中央，安装在芯片或衬底的正下方。 利用热电偶测量壳温度容易产生误差，因此测量结果再现性不好。 首先，因为外壳有温度分布，所以有时热电偶和外壳的接点的温度的物理意义难以定义，而且在不同的条件下，这个温度的物理意义大概率是变化的。 其次，由于热电偶的前端对冷板没有足够的绝热，所以会被电线和冷板冷却，且之间也一定存在接触热阻，从而降低壳温度的读取值。 并且，还有冷板的钻孔对热电偶测试值的影响，设备越小就影响就越大。其他由于使用的热电偶和冷板的性能不同，测定环境也不同，各半导体供应商之间的误差也会变大。由于壳温的测量误差大，结壳热阻误差不可避免。 尽管很多军工单位，或者一些功率循环设备，还是会沿用这种结壳热阻的测试方式，因为这种方式有很多问题（1980年的标准），实际上已经过时了。 1995年JEDEC 发布了JESD 51-1，和美军标一样，本质上也是稳态标准。JESD 51-1分别由动态法和静态法，定义了电压法测量结温，定义了热阻，并且定义了Zth的测量方式。由于无法控制加热区的功率，实际上也存在一些无法回避的问题。 AQG324中测试的标准使用的IEC 60749-34 ：2011，规定了Tc和Ts的测量方式（参考文章：破析AQG 324 功率循环实验（PC）失效判定标准），JEDEC后续陆续发布了一系列的标准，比如JESD 51-2，测量Rthja，JESD-3，测量低热导率的PCB，JESD-678，等等，都是稳态标准，关于测试点温度的物理意义变化的问题，并没有得到解决。 2010年，JESD 51-14，引入了瞬态测量数据，用结温的瞬态变化值去分析一维散热路径，是测量技术的一次飞跃（参考文章：关于JESD 51-14标准的理解和说明）。 但是由于JESD 51-14适合的是一维散热路径的测量，只有当一维散热路径不变，其测试值重复性才是比较好，而如今被测样品除了单管以外，模组越来越多，甚至还要液冷的模组，其一维散热路径是变化的，如果强行使用JESD 51-14，也会带来一些问题。 工程应用的要求远远超出了标准发展的速度，随着芯片的体积越来越大，功率密度愈来愈高，原有标准已经不能完全满足行业应用要求，行业需要更新的标准。 在JESD 51-14标准中强调，离开了测试条件的测试数据是没有实际意义的，而这次条件可能包含参数如下表： 测量区域 | 条件参数 | 数据参数和结果 |
器件标识 |
| 器件标识 测量的数据 |
器件结构 | 参考相关文件 | 参考相关文件 |
环境 | 冷却板 | TCP或者TF（℃） 可选：材料、结构、孔离上表面厚度、粘结胶、压力 |
测量方法 | 加热法 TSP（温度敏感参数） 测试过程 加载功耗 测试电流 Zθjc-曲线 | 例如：体二极管 二极管电压 冷却/加热曲线 PH IM ZΘjc1, Zθjc2 |
数据计算 | 修正 计算方法1或2 分离距离 | tcut, △TJ (tcut) 1:Δda/dz 或者2：ΔCθ∑ ε |
资料来源：JESD 51-14标准 英文
约束条件非常多，标准中并没有给出约束条件对测试值的影响。通过对以往各种器件，模组的测试数据分析，我们大致可以得到几个对测试值产生很大影响的条件，也就是影响结构函数的测试条件： - 器件或者模组的发热区域，区域对应的不同的散热结构，必须要标准化
加热功率，加热功率影响散热路径
测试过程，热区和冷区数据要精确监控
环境条件，环境条件也会影响散热路径
测试方式，不同的器件，影响程度不一样，也需要标准化
那么，建立适用于现在器件或者模组的新热测试标准，个人建议，可能需要考虑几个重要的因素。 
第一，热物性数据的测量及相关标准，尽管现有的测试标准已经很多，理论模型也比较完善，但由于实际操作对人的要求很高，测试值误差比较大，需要通过计算机科学或者对现有测试系统的改良进一步完善；
第二，在得到准确热物性数据的基础上，对器件或者模组的测试中，还要规范测试条件，而我们发觉这些条件对于不同的器件和模组，其影响因子并不相同，同样也可以通过计算机科学建立可重复，可分析的测试结果数据；
第三，依据三维热阻理论，建立精确的热模型（热数字孪生），分析不同封装方式的器件或者模组，其条件的影响权重的大小，找到主要的影响条件并标准化，从而形成热模型数据，以热模型作为标准的测试输出并在行业的上下游流通。这种热模型，根据工程应用需要，可以分为不同的精度的模型，或者是数学模型（一阶或者多阶，热阻网络模型等等）。
尽管上海热物性大数据技术服务共享平台是上海的省级平台，但开发新的测试技术，建立新的测试和数据标准，却应该是全行业的共同的目标。本次会议聆听了诸多行业顶级专家和学者的专业报告，知识密度在短时间内急剧上升，一时还不能完全领会，但对以后的工作实践，存在绝对的指导意义。而共享平台的本质，也是希望大家的研究成果在平台中交互，知识不断地被更新迭代，再回馈去指导行业的发展，形成正向的循环。中国是世界的工程中心，知识更新和迭代的速度，应该远远领先于世界，可以预见，上海热物性大数据技术服务共享平台，以材料科学与工程学科为基础，交叉融合计算机科学与技术等相关学科方向，将有希望成为国际领先，甚至是可以填补世界空白，建立新的热物性通用标准，重新构建热物性技术领域世界新秩序的知识共享平台。 破析AQG 324 功率循环实验（PC）失效判定标准
关于JESD 51-14标准的理解和说明
参考说明：关于美军标的部分，我记忆中是参考了网上的一篇文章，因为现在搜索不到那篇文章的信息，无法提供引用来源，在这里，我诚挚的向那篇文章作者致歉。
