功率器件熱設計基礎（十）——功率半導體器件的結構函數

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

為什么引入結構函數？

在功率器件的熱設計基礎系列文章 《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，由于被測器件表面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面上的溫度分布等原因，測量結果都不相同，測量結果是不可重復的。

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Z th 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，但這種轉換結果并不唯一。就是說轉換產生的熱阻(R th )和熱容 (C th )數組并不唯一確定的，在新的連續網絡模型(Cauer模型)也沒有任何物理意義。因此，合并互不協調的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》

結構函數分析方法克服了這些弱點。它將瞬態熱測量結果轉變成熱阻和熱容的曲線圖，提供了從結到環境的每一層詳細的熱信息。這可以很容易并準確地識別各層的物理特性，如芯片、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。

雙界面法

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

瞬態雙界面(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Z thJC 測量。第一次測量不涂導熱硅脂，第二次安裝正常工藝規范涂上一層薄薄的導熱脂。由于不涂導熱硅脂的熱阻大，兩條Z thJC 曲線會在某一時刻t S 處開始明顯分離。

由于熱流一進入熱界面層，兩條Z thJC 曲線就開始分離，因此此時分界點的Z thJC 值Z thJC (t s )就是穩態熱阻R thJC 。

結構函數

結構函數是一種用于分析半導體器件熱傳導路徑上熱學性能的工具。它通過將瞬態熱測量結果轉換為熱阻與熱容的關系曲線，提供熱量經過的每一層（從結到環境）的詳細熱信息。

X軸是從結到環境熱阻R th 的累計值，Y軸是熱容C th 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)

結構函數可以清楚表征熱傳導路徑，展示半導體器件從芯片結到環境的一維散熱路徑。在這個路徑上，不同材料的熱阻和熱容參數會發生變化，結構函數通過曲線的斜率、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。這對于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

結構函數為熱設計提供了重要的參考數據。通過分析結構函數，熱設計人員可以了解器件在不同條件下的熱學性能，從而設計出更高效的散熱系統。

結構函數還可以用于分析半導體器件的可靠性。通過監測器件在長時間工作中的熱學性能變化，可以及時發現潛在的熱失效風險，提高器件的可靠性。