復(fù)雜電子設(shè)備的熱表征：結(jié)構(gòu)函數(shù)基礎(chǔ)知識入門詳解

電子設(shè)備設(shè)計(jì)中功耗、尺寸和溫度的演變

過去，導(dǎo)致系統(tǒng)故障的主要原因是關(guān)鍵元器件過熱。在一些系統(tǒng)的最熱點(diǎn)上，半導(dǎo)體結(jié)溫可能達(dá)到 150°C或更高，非常接近其工作極限。如若未從芯片上移除過多的熱量，這種高溫會(huì)修改并最終破壞電路的運(yùn)行。但失效分析表明，在現(xiàn)如今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這并不是唯一的問題。

典型元器件故障也可能由重復(fù)發(fā)生的瞬態(tài)熱引起。加熱和散熱會(huì)在封裝結(jié)構(gòu)（固晶焊、焊點(diǎn)）中的材料界面處引起剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致分層、撕裂等。而由此導(dǎo)致的接觸面積減少將會(huì)引起熱量移除不足，進(jìn)而可能造成熱失控。

散熱是一種三維效應(yīng)

長期以來，封裝電子元器件在產(chǎn)品說明中均使用單一熱阻表示。功率器件通常密封在具有專用散熱表面的封裝中，我們將其稱為“外殼”。在分立半導(dǎo)體（二極管、晶體管）中，器件最熱的部分是 PN 結(jié)。初步評估時(shí)，工程師同意，安裝封裝的表面上方的結(jié)溫升幅等于所提供的熱阻乘以所施加的功率。

在常規(guī)電子設(shè)備以及固態(tài)照明中，結(jié)溫 (TJ) 是影響系統(tǒng)可靠性和使用壽命的主要因素。LED 的結(jié)溫是熱設(shè)計(jì)的一個(gè)性能指標(biāo)，LED 光輸出的許多屬性都取決于絕對結(jié)溫。

結(jié)-殼 (RthJC) 等單一熱阻值仍舊列于產(chǎn)品說明中，可用于元器件選型和早期設(shè)計(jì)階段。但是，散熱的復(fù)雜三維特性只能使用先進(jìn)的仿真工具并結(jié)合熱測量進(jìn)行預(yù)測。

為解決這些問題，業(yè)界開發(fā)出了瞬態(tài)熱測量方法，從而可提供比使用熱傳感器更好的解決方案。如今，為了能夠創(chuàng)建電子系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)，需要精確提取熱特性。開發(fā)仿真模型時(shí)，熱特征提取技術(shù)有助于提供更好的結(jié)果。綜合使用熱特征提取、瞬態(tài)熱測試和三維熱建模，可以減少物理樣機(jī)的迭代次數(shù)、生產(chǎn)過程中的重新設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場缺陷產(chǎn)品的召回，從而節(jié)省時(shí)間和成本。

基本意義上的瞬態(tài)熱測試是指對器件施加一個(gè)穩(wěn)定的低功率電平，然后立即切換到較高電平以觀測加熱瞬態(tài)。同樣，從較高功率電平切換到較低電平，可以監(jiān)測器件的散熱情況。這些瞬態(tài)可以完全被捕捉到，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

結(jié)構(gòu)函數(shù)：闡釋的革命

用于模型創(chuàng)建的瞬態(tài)熱測量的發(fā)展在科爾階梯網(wǎng)絡(luò)模型中達(dá)到巔峰。此模型對于將電路元件與物理區(qū)域進(jìn)行關(guān)聯(lián)非常有用。模型描述的特性是利用“結(jié)構(gòu)函數(shù)”識別熱流通路的基礎(chǔ)。布達(dá)佩斯大學(xué)的研究人員制定的結(jié)構(gòu)函數(shù)分析方法，可滿足對封裝內(nèi)部給出更多闡釋的需求2。Székely3引進(jìn)了封裝半導(dǎo)體器件的熱測試方法，從而徹底改變了對熱測量的闡釋。于是，便創(chuàng)建出了Simcenter T3STER 瞬態(tài)熱分析軟件系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)函數(shù)將瞬態(tài)熱測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為熱阻與熱容的關(guān)系曲線，從而提供熱量經(jīng)過的每一層（從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境）的詳細(xì)熱信息。這樣就能確定固晶焊、基座、封裝、散熱器、乃至冷卻設(shè)備（如風(fēng)扇）等各層的物理特性。

通過這種方法，工程師現(xiàn)在能夠識別單芯片封裝的固晶焊故障4

，生成散熱基板的動(dòng)態(tài)簡化模型以加快電路板級設(shè)計(jì)5

，對 LED 封裝進(jìn)行熱可靠性測試6

，甚至評估系統(tǒng)級熱性能，例如筆記本電腦或激光打印機(jī)。附錄介紹了將溫度-時(shí)間曲線轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)函數(shù)的數(shù)學(xué)原理。

結(jié)構(gòu)函數(shù)應(yīng)用示例：界面熱阻的特征提取

LED 封裝的某些部分非常穩(wěn)定（例如，芯片、基座、散熱塊）。然而，即便是相同制造批次的樣品，用于填充附著表面之間微小間隙的導(dǎo)熱界面材料 (TIM) 層也可能會(huì)顯示出很大的差異。測試 TIM 本身無法得知所制造的 TIM 層實(shí)際的熱阻。為了研究產(chǎn)品中的這些不可避免的差異，最好就是使用結(jié)構(gòu)函數(shù)。

圖 1 顯示了 LED 應(yīng)用中的典型導(dǎo)熱界面。其質(zhì)量可通過沿?zé)嶙栎S的長度來衡量，如圖 2 所示。界面熱阻變化的原因可能有很多：固化/焊接溫度變化、TIM 層的厚度差異、老化或故意改變質(zhì)量等。

圖 1.典型 LED 應(yīng)用的結(jié)-環(huán)境熱流通路中的不同導(dǎo)熱界面。

圖 2.LED 元器件的微分（細(xì)線）和積分（粗線）結(jié)構(gòu)函數(shù)。Rth基于加熱功率（針對光輸出校正的功率）1。

測量界面材料熱導(dǎo)率

圖 3.基于結(jié)溫瞬態(tài)測量的動(dòng)態(tài) TIM 測試設(shè)置1。

圖 4.動(dòng)態(tài) TIM 測試裝置的結(jié)構(gòu)函數(shù)，在被測材料的不同預(yù)設(shè)粘結(jié)層厚度處測量1

在圖 3 所示的設(shè)置中，功率二極管的結(jié)溫瞬態(tài) ΔTJ(t)是在精確規(guī)定的預(yù)定材料厚度（粘結(jié)層厚度 BLT）下測得的。當(dāng)功率二極管發(fā)熱時(shí)，產(chǎn)生的熱量通過樣品進(jìn)入下方的冷板。

當(dāng)利用一個(gè)精密的專用機(jī)械系統(tǒng)變更樣品厚度時(shí)，整個(gè)測試設(shè)置的總熱阻測量結(jié)果會(huì)發(fā)生變化。圖 4 中的結(jié)構(gòu)函數(shù)表明，測試設(shè)置的結(jié)-冷板總熱阻的變化完全是由材料樣品厚度的變化引起的。功率二極管的熱特性可以認(rèn)為沒有改變，被測樣品任一側(cè)的界面熱阻也是如此。

樣品的熱導(dǎo)率 λ 可以按如下方式進(jìn)行計(jì)算：

其中，A 為穿過樣品的熱流通路的橫截面積，ΔL 為粘結(jié)層厚度變化，ΔRth為測試設(shè)置總熱阻的相應(yīng)變化。

根據(jù)這一方程，被測 TIM 樣品的熱導(dǎo)率與樣品的Rth

–BLT 圖的斜率成正比（圖 5）。

圖 5：在圖 3 所示的動(dòng)態(tài) TIM 測試設(shè)置中測量獲得的給定材料類型的熱阻與粘結(jié)層厚度的關(guān)系圖1。

同其他技術(shù)相比，這種 TIM 測試方法具有一些優(yōu)勢。例如，微分法可減小測量的不確定性。該測試方法是一種準(zhǔn)原位技術(shù)，因?yàn)闇y試夾具類似于 TIM 材料的實(shí)際應(yīng)用條件。最后一個(gè)重要點(diǎn)是，每項(xiàng)測量都包括測量系統(tǒng)的固有自檢?；谒@得的結(jié)構(gòu)函數(shù)，總是可以檢查測試夾具的結(jié)構(gòu)完整性。該方法已在 Simcenter DYNTIM 軟件8中實(shí)現(xiàn)，它會(huì)自動(dòng)執(zhí)行 TIM測試并利用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。

通過校準(zhǔn)提高熱模型精度

圖 6：芯片尺寸和有效（散熱）區(qū)域面積的校正9。

仿真模型最多只能與可用輸入數(shù)據(jù)（即器件幾何形狀和材料屬性）一樣好。這在為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)仿真工具創(chuàng)建詳細(xì)模型時(shí)，始終是一個(gè)問題，哪怕是原則上至少應(yīng)當(dāng)知道器件幾何形狀的半導(dǎo)體供應(yīng)商。但很多時(shí)候，材料參數(shù)以及有效體積或面積會(huì)引發(fā)一系列的問題。如前所述，詳細(xì)熱仿真模型中不確定性的一個(gè)可能來源是界面熱阻，包括 TIM1（固晶焊）和TIM2（例如導(dǎo)熱硅脂）兩個(gè)地方。

利用結(jié)構(gòu)函數(shù)對詳細(xì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)/驗(yàn)證背后的理念是：如果仿真模型中的幾何形狀/材料屬性和邊界條件都符合實(shí)際情況，那么測量得到的熱阻抗曲線和仿真得到的熱阻抗曲線應(yīng)當(dāng)完全一致。因此，幾何形狀或材料失配造成的任何微小差異都應(yīng)該能在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)中看到。

下面的案例分析說明了如何在結(jié)構(gòu)函數(shù)的幫助下對功率半導(dǎo)體器件封裝模型進(jìn)行微調(diào)9：創(chuàng)建 BD-242 型晶體管（采用 TO-220 封裝）的經(jīng)校準(zhǔn)的詳細(xì)模型。

圖 7：固晶焊熱阻也獲得校正9。

圖 8：最終校準(zhǔn)模型與調(diào)整后的 TIM2 熱阻9。

圖 6 到圖 8 顯示了調(diào)整仿真模型所采取的主要迭代步驟。在前期迭代階段中，應(yīng)讓芯片尺寸和有效（散熱）芯片表面區(qū)域的面積相匹配。通過這種修改，熱流通路模型的第一部分獲得了修正（圖 6）。仿真的熱阻抗和測量的熱阻抗完全匹配，且累積熱阻值最高可達(dá) 2.5 K/W 左右。

在固晶焊層的特性也被修改后（通過調(diào)整 TIM1 材料的熱導(dǎo)率將界面熱阻設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹担?，結(jié)構(gòu)函數(shù)完全匹配，最高達(dá)到約 4.4 K/W（圖 7）。

模型校準(zhǔn)的最后一步是正確設(shè)置所用 TIM2 層的熱阻（圖 8）。由此，模型校準(zhǔn)即告完成。剩下的差異要?dú)w因于所用冷板的建模。

上述程序可利用 CFD 仿真工具 Simcenter Flotherm的軟件命令中心自動(dòng)完成，該工具可使用 SimcenterT3STER 瞬態(tài)熱測試儀提供的數(shù)據(jù)。

結(jié)語

本文通過兩個(gè)例子討論了如何使用結(jié)構(gòu)函數(shù)來分析半導(dǎo)體封裝內(nèi)部的熱特性，或者說任何復(fù)雜電子系統(tǒng)的熱特性。結(jié)構(gòu)函數(shù)還能用于其他應(yīng)用，例如：獲得多芯片封裝的熱測量，在不同環(huán)境條件下對封裝中的TIM 進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)測試，利用溫度和功率循環(huán)為可靠性分析提供數(shù)據(jù)，以及測試交流驅(qū)動(dòng) LED 等。

現(xiàn)在可以提供這些功能的測試設(shè)備軟件包括：Simcenter T3STER 瞬態(tài)熱分析系統(tǒng)，用于分析 LED 的 SimcenterTERALED 軟件，用于測試 TIM 的 Simcenter DYNTIM，以及用于實(shí)驗(yàn)室中或車間的功率循環(huán)和封裝測試的Simcenter Micred Power Tester 軟件。

審核編輯：劉清