复杂电子设备的热表征：结构函数基础知识入门详解

电子设备设计中功耗、尺寸和温度的演变

过去，导致系统故障的主要原因是关键元器件过热。在一些系统的最热点上，半导体结温可能达到 150°C或更高，非常接近其工作极限。如若未从芯片上移除过多的热量，这种高温会修改并最终破坏电路的运行。但失效分析表明，在现如今的系统设计中，这并不是唯一的问题。

典型元器件故障也可能由重复发生的瞬态热引起。加热和散热会在封装结构（固晶焊、焊点）中的材料界面处引起剪切应力，从而导致分层、撕裂等。而由此导致的接触面积减少将会引起热量移除不足，进而可能造成热失控。

散热是一种三维效应

长期以来，封装电子元器件在产品说明中均使用单一热阻表示。功率器件通常密封在具有专用散热表面的封装中，我们将其称为“外壳”。在分立半导体（二极管、晶体管）中，器件最热的部分是 PN 结。初步评估时，工程师同意，安装封装的表面上方的结温升幅等于所提供的热阻乘以所施加的功率。

在常规电子设备以及固态照明中，结温 (TJ) 是影响系统可靠性和使用寿命的主要因素。LED 的结温是热设计的一个性能指标，LED 光输出的许多属性都取决于绝对结温。

结-壳 (RthJC) 等单一热阻值仍旧列于产品说明中，可用于元器件选型和早期设计阶段。但是，散热的复杂三维特性只能使用先进的仿真工具并结合热测量进行预测。

为解决这些问题，业界开发出了瞬态热测量方法，从而可提供比使用热传感器更好的解决方案。如今，为了能够创建电子系统的最佳设计，需要精确提取热特性。开发仿真模型时，热特征提取技术有助于提供更好的结果。综合使用热特征提取、瞬态热测试和三维热建模，可以减少物理样机的迭代次数、生产过程中的重新设计以及现场缺陷产品的召回，从而节省时间和成本。

基本意义上的瞬态热测试是指对器件施加一个稳定的低功率电平，然后立即切换到较高电平以观测加热瞬态。同样，从较高功率电平切换到较低电平，可以监测器件的散热情况。这些瞬态可以完全被捕捉到，直至达到稳态。

结构函数：阐释的革命

用于模型创建的瞬态热测量的发展在科尔阶梯网络模型中达到巅峰。此模型对于将电路元件与物理区域进行关联非常有用。模型描述的特性是利用“结构函数”识别热流通路的基础。布达佩斯大学的研究人员制定的结构函数分析方法，可满足对封装内部给出更多阐释的需求2。Székely3引进了封装半导体器件的热测试方法，从而彻底改变了对热测量的阐释。于是，便创建出了Simcenter T3STER 瞬态热分析软件系统。

结构函数将瞬态热测量结果转换为热阻与热容的关系曲线，从而提供热量经过的每一层（从结点到环境）的详细热信息。这样就能确定固晶焊、基座、封装、散热器、乃至冷却设备（如风扇）等各层的物理特性。

通过这种方法，工程师现在能够识别单芯片封装的固晶焊故障4

，生成散热基板的动态简化模型以加快电路板级设计5

，对 LED 封装进行热可靠性测试6

，甚至评估系统级热性能，例如笔记本电脑或激光打印机。附录介绍了将温度-时间曲线转换为结构函数的数学原理。

结构函数应用示例：界面热阻的特征提取

LED 封装的某些部分非常稳定（例如，芯片、基座、散热块）。然而，即便是相同制造批次的样品，用于填充附着表面之间微小间隙的导热界面材料 (TIM) 层也可能会显示出很大的差异。测试 TIM 本身无法得知所制造的 TIM 层实际的热阻。为了研究产品中的这些不可避免的差异，最好就是使用结构函数。

图 1 显示了 LED 应用中的典型导热界面。其质量可通过沿热阻轴的长度来衡量，如图 2 所示。界面热阻变化的原因可能有很多：固化/焊接温度变化、TIM 层的厚度差异、老化或故意改变质量等。

图 1.典型 LED 应用的结-环境热流通路中的不同导热界面。

图 2.LED 元器件的微分（细线）和积分（粗线）结构函数。Rth基于加热功率（针对光输出校正的功率）1。

测量界面材料热导率

图 3.基于结温瞬态测量的动态 TIM 测试设置1。

图 4.动态 TIM 测试装置的结构函数，在被测材料的不同预设粘结层厚度处测量1

在图 3 所示的设置中，功率二极管的结温瞬态 ΔTJ(t)是在精确规定的预定材料厚度（粘结层厚度 BLT）下测得的。当功率二极管发热时，产生的热量通过样品进入下方的冷板。

当利用一个精密的专用机械系统变更样品厚度时，整个测试设置的总热阻测量结果会发生变化。图 4 中的结构函数表明，测试设置的结-冷板总热阻的变化完全是由材料样品厚度的变化引起的。功率二极管的热特性可以认为没有改变，被测样品任一侧的界面热阻也是如此。

样品的热导率 λ 可以按如下方式进行计算：

其中，A 为穿过样品的热流通路的横截面积，ΔL 为粘结层厚度变化，ΔRth为测试设置总热阻的相应变化。

根据这一方程，被测 TIM 样品的热导率与样品的Rth

–BLT 图的斜率成正比（图 5）。

图 5：在图 3 所示的动态 TIM 测试设置中测量获得的给定材料类型的热阻与粘结层厚度的关系图1。

同其他技术相比，这种 TIM 测试方法具有一些优势。例如，微分法可减小测量的不确定性。该测试方法是一种准原位技术，因为测试夹具类似于 TIM 材料的实际应用条件。最后一个重要点是，每项测量都包括测量系统的固有自检。基于所获得的结构函数，总是可以检查测试夹具的结构完整性。该方法已在 Simcenter DYNTIM 软件8中实现，它会自动执行 TIM测试并利用结构函数方法进行瞬态热分析。

通过校准提高热模型精度

图 6：芯片尺寸和有效（散热）区域面积的校正9。

仿真模型最多只能与可用输入数据（即器件几何形状和材料属性）一样好。这在为计算流体动力学 (CFD)仿真工具创建详细模型时，始终是一个问题，哪怕是原则上至少应当知道器件几何形状的半导体供应商。但很多时候，材料参数以及有效体积或面积会引发一系列的问题。如前所述，详细热仿真模型中不确定性的一个可能来源是界面热阻，包括 TIM1（固晶焊）和TIM2（例如导热硅脂）两个地方。

利用结构函数对详细模型进行校准/验证背后的理念是：如果仿真模型中的几何形状/材料属性和边界条件都符合实际情况，那么测量得到的热阻抗曲线和仿真得到的热阻抗曲线应当完全一致。因此，几何形状或材料失配造成的任何微小差异都应该能在相应的结构函数中看到。

下面的案例分析说明了如何在结构函数的帮助下对功率半导体器件封装模型进行微调9：创建 BD-242 型晶体管（采用 TO-220 封装）的经校准的详细模型。

图 7：固晶焊热阻也获得校正9。

图 8：最终校准模型与调整后的 TIM2 热阻9。

图 6 到图 8 显示了调整仿真模型所采取的主要迭代步骤。在前期迭代阶段中，应让芯片尺寸和有效（散热）芯片表面区域的面积相匹配。通过这种修改，热流通路模型的第一部分获得了修正（图 6）。仿真的热阻抗和测量的热阻抗完全匹配，且累积热阻值最高可达 2.5 K/W 左右。

在固晶焊层的特性也被修改后（通过调整 TIM1 材料的热导率将界面热阻设置为适当的值），结构函数完全匹配，最高达到约 4.4 K/W（图 7）。

模型校准的最后一步是正确设置所用 TIM2 层的热阻（图 8）。由此，模型校准即告完成。剩下的差异要归因于所用冷板的建模。

上述程序可利用 CFD 仿真工具 Simcenter Flotherm的软件命令中心自动完成，该工具可使用 Simcenter T3STER 瞬态热测试仪提供的数据。

结语

本文通过两个例子讨论了如何使用结构函数来分析半导体封装内部的热特性，或者说任何复杂电子系统的热特性。结构函数还能用于其他应用，例如：获得多芯片封装的热测量，在不同环境条件下对封装中的TIM 进行系统内测试，利用温度和功率循环为可靠性分析提供数据，以及测试交流驱动 LED 等。

现在可以提供这些功能的测试设备软件包括：Simcenter T3STER 瞬态热分析系统，用于分析 LED 的 Simcenter TERALED 软件，用于测试 TIM 的 Simcenter DYNTIM，以及用于实验室中或车间的功率循环和封装测试的Simcenter Micred Power Tester 软件。

审核编辑：刘清