5 实验设置和 R_θJC/P 测试结果

为了验证热仿真结果，设计并采用一个测试台装置来测量热阻。此外，选择采用 QFN 12x12 封装的 30mΩ 器件 (LMG342xR030) 来研究仿真结果与实验结果的一致性。根据仿真模型结构设计，已经填充了一块用于热测试的 4 层 PCB，并在其中心部位安装了一个 LMG342xR030 器件。图 5-1如 中所示，测试介质被压在一块加工过的冷板（Hi-Contact 六流道，Aavid）上，压力约为 20psi（由板四角上的安装螺钉提供）。在裸露的 PCB 底部铜焊盘和冷板之间插入 1mm 厚的导热垫 TIM（GR80A，Fujipoly），冷板与冷却装置（6560M，PolyScience）相连，流动的冷却液温度为 30°C。为了测量冷却平面温度 (T_C/P)，热电偶尖端通过一个直径为 2.5mm 的盲孔置于距冷板顶面下方 2mm 处。T_C/P 由数据记录器（OM-2041，Omega）读取和记录。为了在封装内部产生可控损耗，使用直流电来加热器件结，并通过测量整个测试单元的电压和电流计算耗散功率。

在热阻测量过程中，以被监测器件的导通电阻 (R_DS,ON) 作为温度敏感参数来计算结温 (T_J)。在测试之前，测试单元的 R_DS,ON – T_J 相关性在一个热室（107，TestEquity）内进行校准，器件结在该热室中通过温控环境被动加热。由于测量电流小到只有 80-100mA，器件结的主动加热效应显著降低。图 5-2 所示为使用一个拟合公式在测量温度范围 25-125°C 内得出的示例校准曲线。估计 T_J 的另一种方法是在测试期间使用红外 (IR) 热像仪直接测量封装顶部的热点。Topic Link Label3.1正如 中提到的，在高效率的底面冷却系统中，从封装顶部散发的热量极少。因此，测得的外壳顶部温度非常接近于器件的 T_J。

图 5-3 所示为在不同耗散功率下测试的 LMG342xR030 器件的最高外壳顶部温度。图 5-4 中总结了分别根据 R_DS,ON – T_J 相关性和红外测量计算得出的 R_θJC/P 的测试结果。在三种不同的测试功率级别下，两种方法得到的 结果没有显著差异。图 4-5此外，还可观察到仿真结果与实验结果吻合程度良好（偏差 < 8%），这验证了封装竞争分析中的热仿真结果，如 中所示。从测量结果来看，R_θJC/P 稍高的原因是仿真模型未考虑测试介质和设置的缺陷，例如，PCB 散热过孔套管开裂、器件散热焊盘与 PCB 安装区域之间接合层中的焊点空洞，以及施加在 TIM 上的压力不均匀。

图 4-5如 中所示，对于所研究的冷却系统，R_θTIM 占 R_θJC/P 的 40% 以上，这对于实际应用中的整体系统热性能 (R_θJA) 至关重要。然而，不同制造商在数据表中公布的 TIM 的导热系数难以作为后续选材的依据，因为它们并非始终使用相同的方法测量。因此，最好进行基准测试，以选择要在系统中使用的合适 TIM。本文采用相同的实验设置对不同的 TIM 进行了测试，以比较它们的散热特性。表 5-1 中总结了测试结果及其他相关信息。结果表明，使用由同一家制造商生产的厚度更薄 (0.5mm) 的相同 TIM (GR80A) 或导热性能更好的 TIM (GR130A) 可以有效地降低 R_θJC/P。从另一个供应商处获得的 TIM A 材料显示出与基准 GR80A TIM 相似的热性能，但其数据表中报告的热导率较低；而 TIM B 材料列出了 20W/mK 的高热导率，但其性能相当于 GR130A TIM（宣称的热导率为 13W/mK）。胶带是另一种常用的 TIM，在初次安装后不需要额外的夹紧力来将冷却元件固定在 PCB 或其他受热面上。这种材料更便宜，但它的热阻比导热垫高。表 5-1 中所列 TIM C 的测试结果以一个示例的形式给出。使用胶带 TIM 时测得的 R_θJC/P 远高于使用厚得多的导热垫 TIM 时测得的结果。