瞬态热阻测试与结构函数：如何测量结壳热阻并分析器件热流路径

半导体器件正朝着更高功率密度、更小封装尺寸方向发展，性能突破的背后，也带来了热管理挑战。充分的测试与验证，成为优化热设计、确保系统可靠性的关键。瞬态热测试是评估器件热性能的重要手段，借此，研究人员可以在不拆解器件的情况下，准确评估器件的散热性能，定位散热瓶颈，并结合仿真校准，提高热模型的准确性。上海坤道信息技术有限公司是西门子工业软件金牌及专家级代理商，提供热仿真与热测试产品销售、测试工装夹具定制与全流程的技术咨询与支持。

本文将介绍如何使用Simcenter T3STER SI瞬态热测试与结构函数方法对器件进行全面的热表征，包括：

• -瞬态热测试的原理与步骤
• -如何利用结构函数分析器件内部结构
• -使用JEDEC JESD51-14规定的双界面法测量结壳热阻
• -结构函数分析案例

1. 基于电学法的瞬态热测试

热阻是衡量器件热性能的重要指标。传统热电偶测量方法通过直接测量封装外壳的表面温度来计算结壳热阻，但由于外壳表面存在温度分布、热电偶自身传热等原因，测量结果容易产生误差，缺乏重复性。

瞬态测试方法则克服了这一点，因为它无需测试外壳温度，而是使用电学法（Electrical Test Method），测量被测器件在功率变化过程中结温随时间的动态响应。这是一种重复性高、精度高、非破坏性的测试方法。

瞬态热阻测试的原理与步骤

在瞬态热测试开始前，需要对被测器件进行标定，将器件置于温度可控的恒温环境中，施加测试电流，测量TSP随结温的变化，建立TSP与结温的对应关系，TSP一般是正向电压。

标定完成后，对被测器件施加加热电流，使其发热并达到热稳定状态。随后，快速切换到测试电流，并在冷却过程中连续测量TSP随时间的变化，直到再次达到新的热稳定状态。再根据先前的标定，将TSP转换为结温，从而获得瞬态温度响应曲线及Zth热阻抗曲线。

瞬态热测试获得的结果，经过数学处理和等效热RC网络转换，可以进一步生成结构函数（Structure Function），描述器件热流传导路径上的热阻热容分布。

结构函数分析能够提供详细丰富的热学信息，为半导体封装的热性能表征、热传导路径分析、异常定位和可靠性评估提供重要依据。

1997年，匈牙利MicReD研发团队基于瞬态热测试和结构函数方法，开发出全球首款符合JEDEC系列标准的测试仪器，即T3STER热瞬态测试仪。

随着MicReD被Mentor Graphics收购，以及后来Mentor Graphics被西门子收购，T3STER不断迭代发展，成为半导体封装器件热特性测试领域的行业标杆。目前，西门子最新一代的瞬态热测试设备是Simcenter T3STER SI。

2. 结构函数:描述器件热传导路径的模型

器件是由不同结构组成的，每一层结构都有热阻和热容。结构函数是热流传导路径上热阻与热容的函数关系曲线，它清晰地展示了热量从结出发，经过die、die attach、基板等不同封装结构，一直传导到散热环境的一维热传导路径，提供每一层物理结构的热学信息。

通过结构函数分析，工程师可以分析不同封装层的热学特征，定位潜在散热瓶颈，对比不同材料工艺或界面处理方案带来的热性能差异，为器件选型和散热方案优化提供数据依据，还可以结合功率循环测试进行可靠性与寿命研究，识别器件降级退化的过程。

Simcenter T3STER SI 热瞬态测试数据采集完毕后，通过数据分析软件T3Ster Master，可以直接生成分析器件内部结构的结构函数，包括积分结构函数和微分结构函数。

积分结构函数

积分结构函数描述沿热流路径累积的热容与热阻之间的关系，横轴为热阻的累计值，纵轴为热容的累计值。

在积分结构函数中，越靠近Y轴的地方代表着实际热流传导路径上接近芯片有源区的结构，而越远离Y轴的地方代表着热流传导路径上离有源区较远的结构。

曲线上斜率大的区域热阻小、热容大，代表芯片、外壳等体结构；斜率小的区域热阻大、热容小，代表die attach等接触结构。

在结构函数的末端，其值趋向于一条垂直的渐近线，此时代表热流传导到了空气层，由于空气的体积无穷大，因此热容也就无穷大。结到环境的总热阻，就是X轴上从原点到这条渐近线之间的截距。

微分结构函数

对积分结构函数求导，可以得到微分结构函数。微分结构函数拐点特征更加明显，便于识别器件内部不同材料的分界点。

在微分结构函数中，X轴是热阻的累计值，Y轴是热容对热阻的偏微分。曲线上的波峰代表芯片、外壳等体结构；波谷代表 die attach等接触结构。波峰与波谷的拐点就是两种结构的分界处，便于识别器件内部的各层结构。

将积分和微分结构函数结合起来，更易于分析器件内部的热传导路径。

3. 如何测结壳热阻?JEDEC JESD51-14瞬态双界面法

JEDEC JESD51-14规定了使用瞬态双界面法（TDIM-Transient Dual Interface Test Method）测量半导体器件结壳热阻，大大提高了结壳热阻测量结果的可重复性，有助于不同器件数据之间的比较以及不同企业测量方法的一致性。这个方法由T3STER团队与英飞凌于2005年向JEDEC组织提出，于2010年11月通过并正式颁布。

瞬态双界面法的测试原理

瞬态双界面法的核心是对同一个器件在进行两次不同热环境下的测量。

第一次测量将被测器件与冷板直接接触，不涂导热硅脂。第二次测量在被测器件和冷板之间涂上一层导热硅脂。不涂导热硅脂的情况下，封装与冷板之间的粗糙度导致热阻增大，使得散热路径经过外壳之后发生改变，从而识别外壳在热流路径中的位置，因此两次瞬态热响应的分离点就是结壳热阻的位置。

根据JESD51-14的规定，Simcenter T3STER SI支持分别使用ZthJC曲线的分离点和积分结构函数曲线的分离点两种方法来计算器件的结壳热阻。

结壳热阻方法1：ZthJC曲线的分离点

两次测量下，Zth曲线在热流进入热界面层时(tS处)开始分离，ZthJC曲线的分离点就是结壳热阻。

对于采用高热导率die attach(例如solder)的功率器件，ZthJC与稳态热阻足够接近，可以作为结壳热阻的可靠衡量指标。

结壳热阻方法2：积分结构函数曲线的分离点

在结构函数中，两次测试结果存在重合部分，重合部分即为物理结构上从结到外壳的区域，即为结壳热阻。

对于半导体封装中存在阻碍热流的材料(例如导热性较低的封装胶)，两条ZthJC曲线可能会过早出现分歧。在这种情况下，必须将Zth曲线转换为相应的结构函数，以便确定结壳的热阻。

4. 对比结构函数,评估器件散热性能，定位异常

结构函数的一个重要应用，就是比较器件的热学响应。例如，对比不同封装工艺样品的热学表现，或监测同一个器件在应力测试前后的热性能变化，可以帮助定位潜在异常，为散热方案优化提供数据支撑。

这个案例中，日立使用结构函数方法非破坏性地研究电动汽车用的带散热翅片的IGBT功率模块，研究不同流量对散热性能的影响，测量结壳热阻RthJC和结到散热器中冷却液热阻RthJW。

测试采用瞬态热测试与结构函数分析方法，分别在3、4、7、10 L/min四种冷却水流量条件下进行测量。

如下图所示，在T3STER Master数据分析软件中生成积分结构函数。

结合微分结构函数进一步分析，在波峰处确认RthJC，趋向于垂直的渐近线就是RthJW。

5. T3STER SI的应用：从热特性表征到仿真校准

Simcenter T3STER SI的热瞬态测试和结构函数方法为产品研发和质量评估提供了必要的数据支撑。研究人员可以分析原型器件的热传递特性，发现潜在的热路径问题。通过对比不同设计方案的结构函数，评估新的材料与工艺，为封装工艺评估、热设计优化、器件选型和可靠性分析提供数据基础。

同时，还可以将热测试与Flotherm、FloEFD热仿真相结合，利用结构函数校准热模型，提高热仿真的准确性，减少设计迭代与返工，从而大大缩短验证成本，提高产品研发能力，缩短研发周期。

在性能方面，T3STER SI高精度、稳定可靠的测试性能，采样时间间隔高达1us，温度分辨率达0.01°C，能够精准捕捉器件的热信号，确保了测试结果的准确性与完备性，从而实现高精度的热设计。

上海坤道在热仿真与热测试领域具有专业的技术背景和丰富的服务经验，提供Simcenter T3STER SI瞬态热测试设备、Simcenter Power Tester 功率循环及热测试设备、工装夹具定制及全流程的技术支持，如果您希望进一步了解如何利用T3STER SI对器件进行全方位的热表征，或希望将瞬态热测试结果用于仿真模型校准，欢迎联系我们。

参考资料

[1]JESD51-1:1995, Integrated Circuit Thermal Measurement Method - Electrical Test Method

[2]JESD51-14:2010, Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Through a Single Path

 

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