【導讀】在功率器件的熱設計基礎系列文章《功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法》和《功率半導體芯片溫度和測試方法》分別講了功率半導體結溫、芯片溫度、殼溫和散熱器溫度的測試方法，用的測溫儀器是熱電偶、紅外成像儀和模塊中的NTC和芯片上的二極管。
前言
功率半導體熱設計是實(shí)現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。
功率器件熱設計基礎系列文章會(huì )比較系統地講解熱設計基礎知識，相關(guān)標準和工程測量方法。
為什么引入結構函數？
在功率器件的熱設計基礎系列文章《功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法》和《功率半導體芯片溫度和測試方法》分別講了功率半導體結溫、芯片溫度、殼溫和散熱器溫度的測試方法，用的測溫儀器是熱電偶、紅外成像儀和模塊中的NTC和芯片上的二極管。
然而，由于被測器件表面和傳感器探頭之間的接觸熱阻、傳感器導線(xiàn)的熱流泄漏和被測物體表面上的溫度分布等原因，測量結果都不相同，測量結果是不可重復的。
相比使用熱傳感器，瞬態(tài)熱測量技術(shù)提供了更好的解決方案，但不方便的是，得到的Zth曲線(xiàn)。局部網(wǎng)絡(luò )模型(Foster模型)是在時(shí)域上的，沒(méi)有任何結構意義，所以很難用其準確評估產(chǎn)品封裝。
從數學(xué)上看可以將Foster模型轉換Cauer模型，Python和Matlab都有相應的工具，但這種轉換結果并不唯一。就是說(shuō)轉換產(chǎn)生的熱阻(Rth)和熱容 (Cth)數組并不唯一確定的，在新的連續網(wǎng)絡(luò )模型(Cauer模型)也沒(méi)有任何物理意義。因此，合并互不協(xié)調的Cauer模型可能會(huì )導致很大的誤差。參考《功率器件熱設計基礎（七）----熱等效電路模型》
結構函數分析方法克服了這些弱點(diǎn)。它將瞬態(tài)熱測量結果轉變成熱阻和熱容的曲線(xiàn)圖，提供了從結到環(huán)境的每一層詳細的熱信息。這可以很容易并準確地識別各層的物理特性，如芯片、DCB、銅基板、導熱層TIM和散熱器，甚至能讀出焊料層，以及像風(fēng)扇這樣的冷卻裝置。
雙界面法
瞬態(tài)雙界面法是獲取結構函數的基礎，在JEDEC標準JESD51-14《用于測量半導體器件結殼熱阻的瞬態(tài)雙界面測試法》中有定義。這標準是T3Ster團隊和英飛凌于2005年提出來(lái)的，2010年標準發(fā)布。
瞬態(tài)雙界面(TDI)測量方法是對安裝在溫控散熱同一功率半導體器件進(jìn)行兩次ZthJC測量。第一次測量不涂導熱硅脂，第二次安裝正常工藝規范涂上一層薄薄的導熱脂。由于不涂導熱硅脂的熱阻大，兩條ZthJC曲線(xiàn)會(huì )在某一時(shí)刻tS處開(kāi)始明顯分離。
由于熱流一進(jìn)入熱界面層，兩條ZthJC曲線(xiàn)就開(kāi)始分離，因此此時(shí)分界點(diǎn)的ZthJC值ZthJC(ts)就是穩態(tài)熱阻RthJC。
結構函數
結構函數是一種用于分析半導體器件熱傳導路徑上熱學(xué)性能的工具。它通過(guò)將瞬態(tài)熱測量結果轉換為熱阻與熱容的關(guān)系曲線(xiàn)，提供熱量經(jīng)過(guò)的每一層（從結到環(huán)境）的詳細熱信息。
X軸是從結到環(huán)境熱阻Rth的累計值，Y軸是熱容Cth的累計值。
圖中每一種顏色區域代表的一層材料，如靠近原點(diǎn)的狹小粉紅色區域是芯片，第二部分是芯片焊接層……(本圖是借用JESD51-14，附錄A圖10，標準沒(méi)有做材料層解讀，本文用作定性示例解讀)
結構函數可以清楚表征熱傳導路徑，展示半導體器件從芯片結到環(huán)境的一維散熱路徑。在這個(gè)路徑上，不同材料的熱阻和熱容參數會(huì )發(fā)生變化，結構函數通過(guò)曲線(xiàn)的斜率、波峰等特征來(lái)反映這些變化。
結構函數計算材料熱學(xué)性能，通過(guò)結構函數，可以讀出每一層封裝材料的熱阻和熱容值。這對于評估材料的導熱性能、優(yōu)化設計封裝結構具有重要意義。
實(shí)測案例
這是1000A 1700V PrimePACK?3 DF1000R17IE4D的熱阻測試過(guò)程：
首先獲得降溫曲線(xiàn)：
轉換產(chǎn)生積分結構函數，但發(fā)現每一層的分界點(diǎn)不是很清楚：
通過(guò)微分找出分界點(diǎn)：
標出區域，讀出數值：
區間1：結到殼的熱阻=0.0239K/W
區間2：殼到散熱器的熱阻=0.0244K/W
區間3：散熱器到環(huán)境
結構函數的更多應用
結構函數為熱設計提供了重要的參考數據。通過(guò)分析結構函數，熱設計人員可以了解器件在不同條件下的熱學(xué)性能，從而設計出更高效的散熱系統。
結構函數還可以用于分析半導體器件的可靠性。通過(guò)監測器件在長(cháng)時(shí)間工作中的熱學(xué)性能變化，可以及時(shí)發(fā)現潛在的熱失效風(fēng)險，提高器件的可靠性。
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