功率器件热设计基础（十）——功率半导体器件的结构函数

/ 前言 /

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只有掌握功率半导体的热设计基础知识，才能完成精确热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，并保证系统的可靠性。

功率器件热设计基础系列文章会比较系统地讲解热设计基础知识，相关标准和工程测量方法。

为什么引入结构函数？

在功率器件的热设计基础系列文章《功率半导体壳温和散热器温度定义和测试方法》和《功率半导体芯片温度和测试方法》分别讲了功率半导体结温、芯片温度、壳温和散热器温度的测试方法，用的测温仪器是热电偶、红外成像仪和模块中的NTC和芯片上的二极管。

然而，由于被测器件表面和传感器探头之间的接触热阻、传感器导线的热流泄漏和被测物体表面上的温度分布等原因，测量结果都不相同，测量结果是不可重复的。

相比使用热传感器，瞬态热测量技术提供了更好的解决方案，但不方便的是，得到的Zth曲线。局部网络模型(Foster模型)是在时域上的，没有任何结构意义，所以很难用其准确评估产品封装。

从数学上看可以将Foster模型转换Cauer模型，Python和Matlab都有相应的工具，但这种转换结果并不唯一。就是说转换产生的热阻(Rth)和热容 (Cth)数组并不唯一确定的，在新的连续网络模型(Cauer模型)也没有任何物理意义。因此，合并互不协调的Cauer模型可能会导致很大的误差。参考《功率器件热设计基础（七）----热等效威廉希尔官方网站 模型》

结构函数分析方法克服了这些弱点。它将瞬态热测量结果转变成热阻和热容的曲线图，提供了从结到环境的每一层详细的热信息。这可以很容易并准确地识别各层的物理特性，如芯片、DCB、铜基板、导热层TIM和散热器，甚至能读出焊料层，以及像风扇这样的冷却装置。

双界面法

瞬态双界面法是获取结构函数的基础，在JEDEC标准JESD51-14《用于测量半导体器件结壳热阻的瞬态双界面测试法》中有定义。这标准是T3Ster团队和英飞凌于2005年提出来的，2010年标准发布。

瞬态双界面(TDI)测量方法是对安装在温控散热同一功率半导体器件进行两次ZthJC测量。第一次测量不涂导热硅脂，第二次安装正常工艺规范涂上一层薄薄的导热脂。由于不涂导热硅脂的热阻大，两条ZthJC曲线会在某一时刻tS处开始明显分离。

由于热流一进入热界面层，两条ZthJC曲线就开始分离，因此此时分界点的ZthJC值ZthJC(ts)就是稳态热阻RthJC。

结构函数

结构函数是一种用于分析半导体器件热传导路径上热学性能的工具。它通过将瞬态热测量结果转换为热阻与热容的关系曲线，提供热量经过的每一层（从结到环境）的详细热信息。

X轴是从结到环境热阻Rth的累计值，Y轴是热容Cth的累计值。

图中每一种颜色区域代表的一层材料，如靠近原点的狭小粉红色区域是芯片，第二部分是芯片焊接层……(本图是借用JESD51-14，附录A图10，标准没有做材料层解读，本文用作定性示例解读)

结构函数可以清楚表征热传导路径，展示半导体器件从芯片结到环境的一维散热路径。在这个路径上，不同材料的热阻和热容参数会发生变化，结构函数通过曲线的斜率、波峰等特征来反映这些变化。

结构函数计算材料热学性能，通过结构函数，可以读出每一层封装材料的热阻和热容值。这对于评估材料的导热性能、优化设计封装结构具有重要意义。

实测案例

这是1000A 1700V PrimePACK3 DF1000R17IE4D的热阻测试过程：

首先获得降温曲线：

转换产生积分结构函数，但发现每一层的分界点不是很清楚：

通过微分找出分界点：

标出区域，读出数值：

区间1：结到壳的热阻=0.0239K/W

区间2：壳到散热器的热阻=0.0244K/W

区间3：散热器到环境

结构函数的更多应用

结构函数为热设计提供了重要的参考数据。通过分析结构函数，热设计人员可以了解器件在不同条件下的热学性能，从而设计出更高效的散热系统。

结构函数还可以用于分析半导体器件的可靠性。通过监测器件在长时间工作中的热学性能变化，可以及时发现潜在的热失效风险，提高器件的可靠性。