【導讀】在功率器件的熱設計基礎係列文章《功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法》和《功率半導體芯片溫度和測試方法》分別講了功率半導體結溫
、芯片溫度

、殼溫和散熱器溫度的測試方法，用的測溫儀器是熱電偶、紅外成像儀和模塊中的NTC和芯片上的二極管。

前言

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiC高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)基(ji)礎(chu)，隻(zhi)有(you)掌(zhang)握(wo)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)熱(re)設(she)計(ji)基(ji)礎(chu)知(zhi)識(shi)，才(cai)能(neng)完(wan)成(cheng)精(jing)確(que)熱(re)設(she)計(ji)，提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)利(li)用(yong)率(lv)，降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)，並(bing)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

功率器件熱設計基礎係列文章會比較係統地講解熱設計基礎知識
，相關標準和工程測量方法。

為什麼引入結構函數？

在功率器件的熱設計基礎係列文章《功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法》和《功率半導體芯片溫度和測試方法》分別講了功率半導體結溫、芯片溫度、殼溫和散熱器溫度的測試方法
，用的測溫儀器是熱電偶、紅外成像儀和模塊中的NTC和芯片上的二極管。

然而
，由於被測器件表麵和傳感器探頭之間的接觸熱阻
、傳感器導線的熱流泄漏和被測物體表麵上的溫度分布等原因，測量結果都不相同，測量結果是不可重複的。

相比使用熱傳感器
，瞬態熱測量技術提供了更好的解決方案，但不方便的是，得到的Zth曲線。局部網絡模型(Foster模型)是在時域上的，沒有任何結構意義，所以很難用其準確評估產品封裝。

從數學上看可以將Foster模型轉換Cauer模型，Python和Matlab都有相應的工具
，但這種轉換結果並不唯一。就是說轉換產生的熱阻(Rth)和熱容 (Cth)數組並不唯一確定的，在新的連續網絡模型(Cauer模型)也沒有任何物理意義。因此
，合並互不協調的Cauer模型可能會導致很大的誤差。參考《功率器件熱設計基礎（七）----熱等效電路模型》

jiegouhanshufenxifangfakefulezhexieruodian。tajiangshuntaireceliangjieguozhuanbianchengrezuhererongdequxiantu，tigonglecongjiedaohuanjingdemeiyicengxiangxiderexinxi。zhekeyihenrongyibingzhunquedishibiegecengdewulitexing，ruxinpian、DCB

、銅基板

、導熱層TIM和散熱器，甚至能讀出焊料層，以及像風扇這樣的冷卻裝置。

雙界麵法

瞬態雙界麵法是獲取結構函數的基礎，在JEDEC標準JESD51-14《用於測量半導體器件結殼熱阻的瞬態雙界麵測試法》中有定義。這標準是T3Ster團隊和英飛淩於2005年提出來的，2010年標準發布。

瞬態雙界麵(TDI)測量方法是對安裝在溫控散熱同一功率半導體器件進行兩次ZthJC測量。第一次測量不塗導熱矽脂，第二次安裝正常工藝規範塗上一層薄薄的導熱脂。由於不塗導熱矽脂的熱阻大
，兩條ZthJC曲線會在某一時刻tS處開始明顯分離。

由於熱流一進入熱界麵層

，兩條ZthJC曲線就開始分離，因此此時分界點的ZthJC值ZthJC(ts)就是穩態熱阻RthJC。


結構函數

結(jie)構(gou)函(han)數(shu)是(shi)一(yi)種(zhong)用(yong)於(yu)分(fen)析(xi)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)熱(re)傳(chuan)導(dao)路(lu)徑(jing)上(shang)熱(re)學(xue)性(xing)能(neng)的(de)工(gong)具(ju)。它(ta)通(tong)過(guo)將(jiang)瞬(shun)態(tai)熱(re)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)轉(zhuan)換(huan)為(wei)熱(re)阻(zu)與(yu)熱(re)容(rong)的(de)關(guan)係(xi)曲(qu)線(xian)
，提(ti)供(gong)熱(re)量(liang)經(jing)過(guo)的(de)每(mei)一(yi)層(ceng)（從結到環境）的詳細熱信息。

X軸是從結到環境熱阻Rth的累計值
，Y軸是熱容Cth的累計值。

圖中每一種顏色區域代表的一層材料
，如靠近原點的狹小粉紅色區域是芯片，第二部分是芯片焊接層……(本圖是借用JESD51-14，附錄A圖10，標準沒有做材料層解讀，本文用作定性示例解讀)


jiegouhanshukeyiqingchubiaozhengrechuandaolujing，zhanshibandaotiqijiancongxinpianjiedaohuanjingdeyiweisanrelujing。zaizhegelujingshang
，butongcailiaoderezuhererongcanshuhuifashengbianhua，jiegouhanshutongguoquxiandexielv、波峰等特征來反映這些變化。

結構函數計算材料熱學性能
，通過結構函數，可以讀出每一層封裝材料的熱阻和熱容值。這對於評估材料的導熱性能、優化設計封裝結構具有重要意義。

實測案例

這是1000A 1700V PrimePACK™3 DF1000R17IE4D的熱阻測試過程：

首先獲得降溫曲線：


轉換產生積分結構函數
，但發現每一層的分界點不是很清楚：


通過微分找出分界點：


標出區域，讀出數值：

區間1：結到殼的熱阻=0.0239K/W
區間2：殼到散熱器的熱阻=0.0244K/W
區間3：散熱器到環境


結構函數的更多應用

結(jie)構(gou)函(han)數(shu)為(wei)熱(re)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)了(le)重(zhong)要(yao)的(de)參(can)考(kao)數(shu)據(ju)。通(tong)過(guo)分(fen)析(xi)結(jie)構(gou)函(han)數(shu)，熱(re)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)了(le)解(jie)器(qi)件(jian)在(zai)不(bu)同(tong)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)熱(re)學(xue)性(xing)能(neng)
，從(cong)而(er)設(she)計(ji)出(chu)更(geng)高(gao)效(xiao)的(de)散(san)熱(re)係(xi)統(tong)。

jiegouhanshuhaikeyiyongyufenxibandaotiqijiandekekaoxing。tongguojianceqijianzaichangshijiangongzuozhongderexuexingnengbianhua，keyijishifaxianqianzaidereshixiaofengxian，tigaoqijiandekekaoxing。

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