为了克服壳温测量对热阻结果的影响和可重复,JESD51-14标准提出了新的测量方法,瞬态双界面法。此法不需要测量壳温,仅需要测量结温即可,具有精度高、分辨率高、可重复性强等优点,缺点在于操作复杂,需要两次测试。
此法的意义在于,克服了热电偶法壳温测量难度大、误差大的问题。
瞬态双界面法的具体步骤是:
1、获取小电流下饱和压降和结温的关系,即温度校准曲线,为后面结温测量做准备;
2、测量瞬态热阻抗曲线(不涂导热硅脂):给待测器件通负载电流加热至稳态,记录此时饱和压降和负载电流,然后关断负载电流。等待延迟时间后,记录小电流下器件两端饱和压降,通过VCEsat法计算得到冷却阶段结温变化,并通过根号t反推得到稳态最大结温,采用公式:

从而计算得到该次测量瞬态热阻抗曲线。
3、测量瞬态热阻抗曲线(涂导热硅脂):保持环境温度(冷却液温度)不变,操作同上;
4、提取结到壳热阻值Rth(j-c):运用差值微分法确定分离点,分离点对应的热阻值即为结到壳的热阻值。
采用瞬态双界面法测量器件热阻需要注意负载电流、结温测量方法、延迟时间、散热条件等。
负载电流
JESD51-14标准中提到了负载电流应尽可能大以提高分辨率。如下图所示,负载电流越大,曲线越平滑,确定分离点的误差越小,结到壳的热阻值确定也会更加容易。

实际工作中,因采用直流加热模式,只有当温度达到稳态后才可以测量结温,如果使用较大的负载电流,有可能结温超过最大工作结温导致被测器件热损坏。
实际操作中需要先从小负载电流开始,逐步增加,不断尝试。
结温测量方法
JESD51-14标准规定小电流下的饱和压降法Vcesat来测量结温。
测量延迟时间和稳态最大结温反推
测量延迟时间根据实际确定,主要不同器件的延迟时间均不相同,受到负载电流、测量电流、结温、电压等级、器件类型等影响。JESD51-14标准还规定采用根号t法进行最大结温反推。
瞬态热阻抗公式
JESD51-14计算升温瞬态热阻抗的公式事实上是由IEC标准计算升温瞬态热阻抗公式演化而来,IEC标准中计算瞬态热阻抗公式如下:

从升温瞬态热阻抗曲线可以看出,测量结到壳结温热阻时,壳温不是定值,而是随结温动态变化。如果要测量结到环境(冷却液)瞬态热阻抗曲线时,可认为在整个测量过程中冷却液温度为一个定值,即Ta(t=0)=Ta(t)。因此JESD51-14计算升温结到环境瞬态热阻抗曲线,如下式
升温瞬态热阻抗曲线:

同时,从公式中可知,为了尽量减少测量误差,不仅需要通过合适的方法反推得到最大结温Tj(t=0)外,还需要尽量减少功率损耗误差,和热电偶法一致,尽量采用信号端子采集饱和压降。
散热条件
JESD51-14标准提到了进行两次瞬态热阻抗测量时,需要保持散热器水温相同。但是这个会带来一个问题,这会导致两次器件结温不一致,导致芯片的温度梯度有差异,最终得到的饱和压降也会有差异。所以可以调节水温保持两次测量瞬态热阻抗曲线时的结温一致。
总结
对于无底板模块以及分立器件等,适合采用瞬态双界面法确定结到壳热阻,因为无底板模块测量壳温易发生偏差,且挖孔会对温度场存在影响,测量结壳热阻难度大,对于小型分立器件,壳温测量误差会更大。
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