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热分析/热设计的关键技术—热数字孪生体
鲁欧智造周爱军Dec.302021
提
纲
?绪论
?热测试技术及应用介绍
?第三代半导体测试探索
?三维热阻的定义
?Calibration-构建热数字孪生体
?热设计关键技术-TDT
鲁欧智造
绪论
什么是热数字孪生体
能精确观测并表征物体
的温度场稳态或瞬态变化，
基于特定标准化条件下，
可以流转并重用的高精度
热仿真模型。
专业目标-热测试/热分析技术
?电子类产品失效问题中55%是温度过高引起（散热问题
?功率半导体可靠性的80%由散热能力决定；
?功率模块/产品级研发中30%的课题与热问题相关；
?大功率半导体模块产品成本的20%是为了散热；
?产业链中，热仿真模型的流通是上下游厂商共同的
?工业4.0中，要求产品热设计可以在仿真环境完成。
企业研发生产必需的基础技术
国际竞争不可缺少的基本能力
专业领域=电子散热
?是否有热问题？
?产品内部芯片温度是否过高？
?需要热测试技术
?热问题在哪里？
?什么原因导致芯片温度过高？
?需要热结构分析技术
随着电子产品的功率密度越来越高，企业热设计?如何解决热问题？
?如何进行产品的热设计？
?需要热数字孪生体技术
能力的建设，将会直接决定企业是否可以在诸多竞
争中胜出。
热测试技术及实际应用
热测试的国际标准化
JEDEC（JointElectronDeviceEngineeringCouncil）一个国际化的半导体
部件规格标准化组织，设立于1958年，从属
于美国电子工业会（EIA）
JESD51系列
JESD51系列包含了所以热测试相关的标准
热测试的国际标准化
JESD51系列标准
JESD511995年12月概略
JESD51-11995年12月Tj测试的电气法（ETM），瞬态热测试（Dynamic法，Static法）
JESD51-21995年12月IC封装的自然对流测试环境
JESD51-31996年8月用于SMP封装测试的低热导率基板
JESD51-41997年2月热测试TEG新品的规格
规格化电子部件的结温测试方法，
规定2种瞬态热测试的方法，被广泛
应用至今。
JESD51-51999年2月具有内藏散热部件的电子部件的测试板规格
JESD51-61999年3月IC封装的强制对流测试环境（MovingAir）关于测试环境的规格
JESD51-71999年2月用于SMP封装测试的高热导率基板
JESD51-81999年10月用于测试IC封装Rthjb热阻的测试环境
………
追加了瞬态热阻的规格（推荐冷却
测试法为标准方案）
结构函数分析法被正式认定
JESD51-142010年11月具有一次元散热路径的结壳热阻Rthjc测试方法
JESD51-502012年4月LED热测试概略
JESD51-512012年4月外露散热面型功率LED的瞬态热测试法
JESD51-522012年4月外露散热面型功率LED的光学/热学联合测试法
JESD51-532012年4月功率LED热测试的语集
专门为功率LED制定的热测试标准
传统的热测试法
传统的热测试法
热测试方法比较
?非破坏性
?精度最高
?重复性最好
电压法测试结温的原理
?p-n结电流-电压特性方程：
I=I0exp(qVj/nKT)dVj/dT=nK/q*lnI/I0=1/k=Const.
?线性条件在很大的温度范围内都是精确成
立的。因此可以用p-n结恒定电流下的正
向电压值来指示温度变化
电压法测试结温的原理
电压
20℃
40℃
60℃
80℃
温度
温度系数（K-Factor）
（mV/℃）
实际环境
中Vf测定结温=K(Vf-Vfa）
+环境温度
瞬态热测试原理（JEDECJESD51）
１．印加恒定大电流，使样品处于热平衡状态
２．将加热电流快速切换到测试电流（μs）
３．电流切换之后，对热感应电压经行连续采用，直到热平衡状态
４．使用温度系数（K-factor）将热感应电压换算成温度数据
JESD51-14
P1
P
电压
测
试
P2
t
finalsteady-
state
温度T
变
换
结构函数
内部构造可视化！
热阻网络模型
结构函数的实际应用
分离法测量θjc（一维热传导路径）
芯片
封装
分离层
散热片
θjc
RthJ
C
SEMI-THERM05
器件质量检测
无缺陷产品不良品
C
?
R
?
检测Die-Attach层的热阻变化
DA接触热阻比较研究
封装基板材料的散热性能测试
?大阪大学、株式会社日本触媒共同研究
基板材料（Al2O3与SiN）
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