電子設(shè)備設(shè)計(jì)中功耗、尺寸和溫度的演變
過(guò)去，導(dǎo)致系統(tǒng)故障的主要原因是關(guān)鍵元器件過(guò)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℃或更高，非常接近其工作極限。如若未從芯片上移除過(guò)多的熱量，這種高溫會(huì)改變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(wèn)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)引起熱阻的增加，進(jìn)而導(dǎo)致熱量移除不足，最終可能造成熱失控。
散熱是一種三維效應(yīng)
長(zhǎng)期以來(lái)，封裝電子元器件在產(chǎn)品說(shuō)明中均使用單一熱阻表示。功率器件通常封裝在具有專(zhuān)用散熱表面的封裝體中，可以將其稱(chēng)為“case-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(píng)估時(shí)，施加在封裝的結(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(duì)結(jié)溫。
結(jié)-殼（Rthjc）等單一熱阻值仍舊列于產(chǎn)品說(shuō)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(cè)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。
為解決這些問(wèn)題，業(yè)界開(kāi)發(fā)出了瞬態(tài)熱測(cè)量方法，從而可提供比使用：例如：熱電偶等傳統(tǒng)的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(kāi)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(cè)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(guò)程中的重新設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試是指對(duì)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(cè)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(cè)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)：電子設(shè)備熱特性分析的革命
用于模型創(chuàng)建的瞬態(tài)熱測(cè)量的發(fā)展在Cauer階梯網(wǎng)絡(luò)模型中達(dá)到巔峰。此模型對(duì)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)曲線”識(shí)別熱流通路的基礎(chǔ)。布達(dá)佩斯科技與經(jīng)濟(jì)大學(xué)，微電子器件系的研究人員制定的結(jié)構(gòu)函數(shù)分析方法，可滿足對(duì)封裝內(nèi)部給出更多闡釋的需求。結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線引進(jìn)了封裝半導(dǎo)體器件的熱測(cè)試方法，從而徹底改變了對(duì)熱測(cè)量的闡釋。于是，MicReD T3Ster瞬態(tài)熱分析系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生了。
結(jié)構(gòu)函數(shù)將瞬態(tài)熱測(cè)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(guò)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）等各層材料的物理特性。
通過(guò)這種方法，熱設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在能夠識(shí)別單芯片封裝的固晶焊故障，生成散熱基板的動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化模型以加快電路板級(jí)設(shè)計(jì)，對(duì)LED封裝進(jìn)行熱可靠性測(cè)試，甚至評(píng)估系統(tǒng)級(jí)熱性能，例如筆記本電腦或激光打印機(jī)。
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、基板、散熱片）。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(cè)試TIM本身無(wú)法得知所產(chǎn)生的TIM層實(shí)際的熱阻，因?yàn)榻佑|熱阻的存在。為了研究產(chǎn)品中的這些不可避免的差異，最好辦法就是使用結(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(guò)沿?zé)嶙栎S的長(zhǎng)度來(lái)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模組的微分（細(xì)線）和積分（粗線）結(jié)構(gòu)函數(shù)；圖中熱阻值的計(jì)算基于加熱功率，即針對(duì)光功率進(jìn)行了扣除
測(cè)量界面材料熱導(dǎo)率
在下圖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(cè)得的。當(dāng)功率二極管發(fā)熱時(shí)，產(chǎn)生的熱量通過(guò)樣品進(jìn)入下方的冷板。
圖3：基于結(jié)溫瞬態(tài)測(cè)量的DynTIM測(cè)試裝置
當(dāng)利用一個(gè)精密的專(zhuān)用機(jī)械系統(tǒng)變更樣品厚度時(shí)，整個(gè)測(cè)試裝置的總熱阻測(cè)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(cè)試裝置的結(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(méi)有改變，被測(cè)樣品任一側(cè)的界面熱阻也是如此。
圖4：在被測(cè)材料的不同預(yù)設(shè)粘結(jié)層厚度處（BLT）測(cè)量的DynTIM測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)函數(shù)
被測(cè)材料樣品的熱導(dǎo)率λ可以按如下方式進(jìn)行計(jì)算：
其中，A為熱量穿過(guò)被測(cè)材料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(cè)試獲得總熱阻的相應(yīng)變化。根據(jù)這一方程，被測(cè)TIM樣品的熱導(dǎo)率與樣品的Rth-BLT圖的斜率成正比，如圖5所示。
圖5：在圖3所示的DynTIM測(cè)試裝置中測(cè)量獲得的給定材料類(lèi)型的熱阻與粘結(jié)層厚度的關(guān)系圖
同其它技術(shù)相比，這種TIM測(cè)試方法具有一些優(yōu)勢(shì)。例如，可減小測(cè)量的不確定性。該測(cè)試方法是一種準(zhǔn)“原位”技術(shù)，因?yàn)闇y(cè)試夾具類(lèi)似于TIM材料的實(shí)際應(yīng)用條件，包括厚度和壓力的調(diào)整。最后一個(gè)重要點(diǎn)是，每項(xiàng)測(cè)量都包括測(cè)量系統(tǒng)的固有特性?；谒@得的結(jié)構(gòu)函數(shù)，總是可以檢查測(cè)試夾具的結(jié)構(gòu)完整性。該方法已在MentorGraphics DynTIM測(cè)量設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，它會(huì)自動(dòng)執(zhí)行TIM材料的測(cè)試并利用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。
通過(guò)校準(zhǔn)提高熱模型精度
仿真模型在創(chuàng)建時(shí)，最多只能獲得與輸入數(shù)據(jù)（即器件幾何形狀和材料屬性）相匹配的精度，有些參數(shù)的不確定性，會(huì)帶來(lái)此模型仿真精度上的問(wèn)題。這導(dǎo)致在計(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(wèn)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(wèn)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(lái)源是界面接觸熱阻，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(duì)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(cè)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(shuō)明了如何在結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的幫助下對(duì)功率半導(dǎo)體器件封裝模型進(jìn)行微調(diào)：創(chuàng)建IGBT器件，此IGBT器件采用TO-220封裝，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的詳細(xì)模型。
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（發(fā)熱）芯片表面區(qū)域的面積相匹配。通過(guò)這種修改，熱流通路模型的第一部分獲得了修正，如圖6所示。仿真的熱阻抗和測(cè)量的熱阻抗完全匹配，且累積熱阻值最高可達(dá)2.5K/W左右。
圖6：芯片尺寸和有效（發(fā)熱）區(qū)域面積的校正
在固晶焊層的特性也被修改后（通過(guò)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)曲線完全匹配，最高達(dá)到約4.4K/W，如圖7所示。
圖7：固晶焊熱阻也獲得校正
模型校準(zhǔn)的最后一步是正確設(shè)置所用TIM2層的接觸熱阻，如圖8所示。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。在實(shí)際測(cè)試中，冷板的熱阻在結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線中存在，而在建模中，則使用理想冷板作為邊界條件。
圖8：最終校準(zhǔn)模型與調(diào)整后的TIM2接觸熱阻
上述校準(zhǔn)過(guò)程可利用Simcenter FloTHERM的CommandCenter自動(dòng)完成，該工具可使用MicReD T3Ster瞬態(tài)熱測(cè)試儀提供的數(shù)據(jù)。
結(jié)論
本文通過(guò)兩個(gè)例子討論了如何使用結(jié)構(gòu)函數(shù)來(lái)分析半導(dǎo)體封裝內(nèi)部的熱特性，或者說(shuō)任何復(fù)雜電子系統(tǒng)的熱特性。結(jié)構(gòu)函數(shù)還能用于其它應(yīng)用，例如：獲得多芯片封裝的熱測(cè)量，在不同環(huán)境條件下對(duì)封裝中的TIM進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)測(cè)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(cè)試交流驅(qū)動(dòng)LED器件等。
Simcenter MicReD的測(cè)試設(shè)備現(xiàn)在可以提供如下功能：MicReD T3Ster瞬態(tài)熱測(cè)試分析系統(tǒng)、用于分析LED的TeraLED系統(tǒng)、用于測(cè)試TIM材料的DynTIM、以及用于實(shí)驗(yàn)室中或工廠車(chē)間的功率循環(huán)和封裝測(cè)試的MicReD Industrial Power Tester系列產(chǎn)品。
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