热阻原理

热阻及测试原理日期：2020/2/13什么是热阻？功率半导体器件在工作中总会产生一定的热量，倘若这些热量不能及时有效地传播出去，就会造成器件内部热积累，结温上升，使得器件可靠性降低，甚至造成器件功能失效，无法安全工作。热阻是表征阻止热量传递的能力的综合参数，也就是直接反映器件散热性能好坏的参数。热阻越小，则散热能力越好。热阻分类结壳热阻结到环境的热阻DUT：DeviceUnderTest热阻分类瞬态热阻：许多半导体器件是在脉冲功率条件下工作的，显然器件的工作结温升与脉冲宽度及占空比有关，因此在很多场合下需要了解器件与施加功率时间相关的热特性。瞬态热阻的表达式为稳态热阻：当功率的持续时间足够长，器件有源区热量的产生与散热达到动态的平衡，此时有源区温度不再随时间变化，这时的瞬态热阻就是稳态热阻。Tj为器件在稳态工作时的结温。热阻测试原理及方法测试原理温度测量功率测量热电偶红外测温仪（1）固定U，测I（2）固定I，测U(常用)U：功率源表,直流电源I：示波器U：功率源表,直流电源I：示波器TA/CTJ无法直接测量JEDEC标准的封装热阻测试法原理：RθJX表示结到某点的热阻，K表示二极管两端压降随温度变化的系数，一般是每升高一度，二极管两端压降降低2mV。ΔTSP表示压降变化的大小，通过这两个参数我们就可以知道结温在加热前和加热后升高了多少。而壳温是可以用热电偶测得的，功率等于电压电流的积，所以结壳或者结到环境的热阻就可以求得了。0JJJTTTJTKTSPJXJXHTRPJXJXHTRPJEDEC标准的封装热阻测试法步骤：第一步：先根据脉冲电压不产生自热，维持电流Im不变，施加变化的环境温度，测出对应的变化的电压，绘出电压——温度曲线，求出斜率K。第二步：施加功率脉冲（有自热），对DUT加热至稳定温度。第三步：切换到测试电流Im，测出此时电压，再利用K求出此时的结温。JEDEC标准的封装热阻测试法注意事项：a.测试电流选取流过温度感应二极管的测试电流必须足够的大以保证在读取二极管两端的正偏电压时不受SurfaceLeakageEffects的影响，同时又必须足够的小以保证该电流不会产生明显的自热效应。其数值一般选在二极管正向导通I-V特性曲线拐点左右的范围内，通常为100uA至5mA，具体与二极管的尺寸有关。b.从功率脉冲切断到测试电流灌入之间的时间必须考虑。这段时间器件冷却，结温有所下降。所以，电子开关的切换时间必须足够的短（几十微秒数量级的范围）。c.热稳态建立器件内部产生的热量传播到外界并最终建立起稳定状态需要一定的时间。因此，热阻的测量需要在这一稳定状态建立起来之后才能进行。MOS饱和电流测试法原理：当同一器件分别工作在直流状态和去除自热状态，如果该器件漏源两端电压相同，栅压幅度相同，造成器件漏电流不一致的最主要区别即为器件工作在直流状态时，由于自热的影响，导致漏电流远小于器件工作在相同偏置下的去除自热状态下的漏电流。当器件漏电流下降到与器件工作在相同偏置下的直流状态时的漏电流相等时，由于在相同的偏置条件下，器件的漏电流相同，代表器件内部的结温相同，因此，此时的环境温度即等效于器件工作在相同偏置条件下直流状态时器件内部的平均结温。结构函数测试法（瞬态热阻）该理论借鉴电路分析技术中的RC响应原理，对于串联的多阶RC电路，其阶跃响应表现出由电阻电容值决定的多个时间常数的特性。而每一阶电阻的阻值则可以由对应时间常数的阶跃电压幅值确定。这种思想应用于半导体器件热分析，则可以表述为封装的器件可以看作由芯片、焊料、管壳等成份组成的串联热阻、热容网络，器件的结-壳热阻为热传导路径上各成分热阻之和，器件的瞬态加热响应曲线是各成分热阻热容共同作用的结果。结构函数测试法（瞬态热阻）瞬态温度响应曲线结构函数测试法（瞬态热阻）然后我们对升温或降温曲线的横坐标做对数变化(z=in(t))，再根据热阻计算公式Rth=(Tj-Ta)/P将其转换为热阻抗曲线（瞬态热响应曲线）a(z)，Tj表示结温，Ta表示热沉表面温度，P表示加热功率。对瞬态热响应曲线a(z)求导得到da(z)/dz，然后运用以下关系：式中的运算符号为卷积运算，且w(z)=exp(z-exp(z)),所以通过反卷积运算我们可以得出时间常数谱函数R(z)。得到了时间常数谱函数后，我们就可以利用以下公式：得到不同占空比下的瞬态热阻曲线簇。其中Zth表示特定占空比下的那条瞬态热阻曲线，δ表示占空比。谢谢!日期：2020/2/13