5 實驗設置和 R_θJC/P 測試結果

為了驗證熱仿真結果，設計并采用一個測試臺裝置來測量熱阻。此外，選擇采用 QFN 12x12 封裝的 30m? 器件 (LMG342xR030) 來研究仿真結果與實驗結果的一致性。根據仿真模型結構設計，已經填充了一塊用于熱測試的 4 層 PCB，并在其中心部位安裝了一個 LMG342xR030 器件。圖 5-1如 中所示，測試介質被壓在一塊加工過的冷板（Hi-Contact 六流道，Aavid）上，壓力約為 20psi（由板四角上的安裝螺釘提供）。在裸露的 PCB 底部銅焊盤和冷板之間插入 1mm 厚的導熱墊 TIM（GR80A，Fujipoly），冷板與冷卻裝置（6560M，PolyScience）相連，流動的冷卻液溫度為 30°C。為了測量冷卻平面溫度 (T_C/P)，熱電偶尖端通過一個直徑為 2.5mm 的盲孔置于距冷板頂面下方 2mm 處。T_C/P 由數據記錄器（OM-2041，Omega）讀取和記錄。為了在封裝內部產生可控損耗，使用直流電來加熱器件結，并通過測量整個測試單元的電壓和電流計算耗散功率。

在熱阻測量過程中，以被監測器件的導通電阻 (R_DS,ON) 作為溫度敏感參數來計算結溫 (T_J)。在測試之前，測試單元的 R_DS,ON – T_J 相關性在一個熱室（107，TestEquity）內進行校準，器件結在該熱室中通過溫控環境被動加熱。由于測量電流小到只有 80-100mA，器件結的主動加熱效應顯著降低。圖 5-2 所示為使用一個擬合公式在測量溫度范圍 25-125°C 內得出的示例校準曲線。估計 T_J 的另一種方法是在測試期間使用紅外 (IR) 熱像儀直接測量封裝頂部的熱點。Topic Link Label3.1正如 中提到的，在高效率的底面冷卻系統中，從封裝頂部散發的熱量極少。因此，測得的外殼頂部溫度非常接近于器件的 T_J。

圖 5-3 所示為在不同耗散功率下測試的 LMG342xR030 器件的最高外殼頂部溫度。圖 5-4 中總結了分別根據 R_DS,ON – T_J 相關性和紅外測量計算得出的 R_θJC/P 的測試結果。在三種不同的測試功率級別下，兩種方法得到的 結果沒有顯著差異。圖 4-5此外，還可觀察到仿真結果與實驗結果吻合程度良好（偏差 < 8%），這驗證了封裝競爭分析中的熱仿真結果，如 中所示。從測量結果來看，R_θJC/P 稍高的原因是仿真模型未考慮測試介質和設置的缺陷，例如，PCB 散熱過孔套管開裂、器件散熱焊盤與 PCB 安裝區域之間接合層中的焊點空洞，以及施加在 TIM 上的壓力不均勻。

圖 4-5如 中所示，對于所研究的冷卻系統，R_θTIM 占 R_θJC/P 的 40% 以上，這對于實際應用中的整體系統熱性能 (R_θJA) 至關重要。然而，不同制造商在數據表中公布的 TIM 的導熱系數難以作為后續選材的依據，因為它們并非始終使用相同的方法測量。因此，最好進行基準測試，以選擇要在系統中使用的合適 TIM。本文采用相同的實驗設置對不同的 TIM 進行了測試，以比較它們的散熱特性。表 5-1 中總結了測試結果及其他相關信息。結果表明，使用由同一家制造商生產的厚度更薄 (0.5mm) 的相同 TIM (GR80A) 或導熱性能更好的 TIM (GR130A) 可以有效地降低 R_θJC/P。從另一個供應商處獲得的 TIM A 材料顯示出與基準 GR80A TIM 相似的熱性能，但其數據表中報告的熱導率較低；而 TIM B 材料列出了 20W/mK 的高熱導率，但其性能相當于 GR130A TIM（宣稱的熱導率為 13W/mK）。膠帶是另一種常用的 TIM，在初次安裝后不需要額外的夾緊力來將冷卻元件固定在 PCB 或其他受熱面上。這種材料更便宜，但它的熱阻比導熱墊高。表 5-1 中所列 TIM C 的測試結果以一個示例的形式給出。使用膠帶 TIM 時測得的 R_θJC/P 遠高于使用厚得多的導熱墊 TIM 時測得的結果。