稳态热阻测量:相除之前先定义热流路径

热阻看似只是温升除以功率,难点却在于确认哪一个温度、哪一部分功率和哪条热流路径属于这个除法。没有这些定义,两个合理测量可能描述完全不同的系统。

1. 定义热端口

指定边界下近似线性热路径满足

\[R_{th,j-r}=\frac{T_j-T_r}{P_{path}}. \tag{1}\]

参考端可为规定壳体表面、控温冷板或环境空气;\(P_{path}\) 只有在其他路径可忽略或方法明确规定时才等于器件总耗散。\(R_{th,jc}\)、\(R_{th,ja}\)、\(R_{th,jb}\) 和 \(\psi_{JT}\) 都属于各自测试约定,不能互换;\(\psi\) 一般也不是独立物理支路电阻。

必须同时定义两个温度参考和穿过该路径的热流;封装顶面读数不是结温。 Open full size

2. 控制机械与冷却边界

记录安装面、平整度、TIM 类型与厚度/施加方法、压力或扭矩、冷板温度和流量。PCB 冷却器件还要规定铜面积、层数、过孔与气流。传感器位置不能明显扰动接触;冷却液入口温度也不等于局部冷板表面温度。用温度斜率和功率稳定性定义平衡判据,而不是随意等待一个固定时间。

3. 在 DUT 边界测功率

导通加热功率应由器件端同步电压电流得到:

\[P_H=\langle v_D(t)i_D(t)\rangle. \tag{2}\]

不要把电缆和分流器损耗包含在电源功率中;开关或脉冲激励应平均瞬时乘积,而不是用平均电压乘平均电流。多芯片电流分配不均也会改变所推断结温。

4. 功率—温升曲线

先记录零加热基线,再在同一边界施加多个安全功率点并用已校准方法求结温:

\[T_j-T_r\approx R_{th}P_H+b. \tag{3}\]

非零截距提示参考偏置或其他热源;弯曲提示材料温变或冷却边界变化,不能强行线性拟合。合成示例中 30 W 产生 45 K 温升,斜率为 1.50 K/W,但不说明参考位置就没有封装意义。

热阻取温升曲线斜率;截距、非线性或边界变化必须先解释。 Open full size

5. 接口、重复性与不确定度

一维串联近似下,

\[R_{j-sink}\approx R_{j-c}+R_{c-sink}. \tag{4}\]

用两次测量相减提取小接口热阻会放大不确定度,并假设其他路径不变;重装会改变压力、接触面积和 TIM 分布,因此既要测不拆装重复性,也要测重装重复性。

若温升和功率不确定度独立,

\[\left(\frac{u_R}{R}\right)^2\approx \left(\frac{u_{\Delta T}}{\Delta T}\right)^2+ \left(\frac{u_P}{P}\right)^2. \tag{5}\]

45 K、30 W、1 K 与 0.3 W 标准不确定度时,\(u_R\approx0.037\ \mathrm{K/W}\),实际还要加入接触和校准协方差。

结果只能用于实测边界和温度域。短脉冲不能用稳态热阻代替瞬态阻抗,也不能把某 PCB 的结到环境值直接移植到另一装配。报告应包含夹具、功率边界、温度方法、平衡证据、重装结果、残差与不确定度。

← 返回博客