JEDEC JESD51-1中的静态法与动态法

1995年12月，JEDEC JESD51-1应运而生。这款标准规范了半导体电子器件结温的电学测温法（Electrical Test Method，ETM）的使用，并提出了两种测试方法——动态法（Dynamic Mode）和静态法（Static Mode）。

▲以上图片文献摘自 JESD51-1 标准第四页第一段

动态法的工作原理是通过向被测器件施加不同长度的脉冲加热功率（脉冲时长一般由短到长），使器件产生温升，并在每个脉冲结束后切换回感温电流（用于采集温敏电压计算温度的小电流）采集一个温度点。大电流关断到采集温敏电压的延时（电流切换瞬间会有较大的电压波动，采样需在这之后进行，因此需要设置采样延时），大多数是根据经验值对不同测试对象进行适配。

▲图表1.动态法的测试方法示意图

而静态法是将测试器件加热至稳态后，快速切断加热电流，同时对待测器件通入感温电流。之后，器件会在热沉的作用下降温，直到与热沉的温度相同。整个降温过程的温敏电压变化会被全部采集，将K系数带入即可得到结温的整个降温过程的温度变化。

静态法的温敏电压的采集有一个关键要点，就是采样频率的连续变频技术。在加热电流关断初期，器件的芯片内部的温度急剧变化，通常需要MHz的采集频率才能满足测试需求。但是随着热传递到时间常数较大的外层时，温度随时间的变化速度会渐渐趋缓，此时过高的采样频率反而会导致测试数据量过剩冗余。比如，在连续1MHz频率采样的情况下，1秒钟的采集数据就可以达到约2MB的大小，一次瞬态热测试的数据量就能达到数百MB以上，非常不利于数据的储存、传输和管理。除此之外，在结构函数的计算过程中，不论是时间还是时间常数都是自然对数幂次方，匀速采样在对数轴上的数据密度分布反而是不均匀的，因此导致给后期数据处理带来不良影响。而连续变频技术使得温敏电压的测试在不同量级的时间域里实现连续变频采集，大大缩小了数据的体量，而且满足了采集点在对数时间轴上的均匀分布，很好地解决了以上问题。

▲图表2.静态法的测试方法示意图

2010年11月，JESD51-14问世，对静态法（冷却测试法）进行了进一步的优化，并将其推荐为标准方案，而动态法并未提及，其原因是动态法存在一些难以忽视的问题。首先，从上面的两幅过程图中，我们可以发现静态法只需要加热至一次稳态即可，但动态法需要多次脉冲加热，最后一个脉冲仍需加热至稳态。在测试时间上，静态法仅需一次脉冲的时间就能得到数据点非常密集的温度变化曲线，而动态法需要的测试时间更长，但得到的数据点却很稀疏。

第二，使用电学法测量器件结温时，电学底噪无法避免。由于动态法每次脉冲后只采集一个点，因此数据精度受电学底噪影响显著。反观静态法，它整个降温过程以最高一兆赫兹速度采集若干个点，之后在软件中进行平滑处理，可显著降低电学底噪带来的影响。

▲图表3.电学底噪较大数据（点）与软件平滑处理曲线（虚线）

第三，在进行热测试时，加热电流切换回感温电流后，短时间内的电压变化不只是受温度影响，还受到电学因素的影响，产生很大的波动。我们将这段时间的数据称为开关噪音，这些数据不能真实反应器件的温度。在动态法中，电流切换后只采集一个点，并且需要设置一个延迟时间，来确定这个点何时采样。如果设置的延迟时间过短，则采集到的数据可能为开关噪音，导致数据严重不合理，产生巨大的误差；如果设置时间过长，由于温度变化初期，结温变化非常剧烈，所以Tj（器件结温）降低较大，导致采集得到的Tj偏低。

而静态法能够连续记录电流切换后的全部数据，可以明显地观察到电压受到电学影响带来的变化。并可以借JESD51-14标准中的方法进行补偿计算，通过外插得到关断瞬间的准确的Tj。

▲图表4.借助JESD51-14外插法得到准确Tj

对于瞬态热阻的测试除了获得高精度的结温变化数据，还需要稳定精准的加热功率的数值。当加热电流流经器件时，其两端的电压会随着Tj的变动而不断波动，进而使得加热功率也随时间发生变化。由于这种动态变化，动态法在采集每个脉冲时的加热功率都会有所差异，换言之，加热功率测试值会出现不同程度的误差。

然而，静态法则采取了不同的策略。它先将器件加热至热稳态，再从中捕获一个稳定的功率值。这样，静态法为后续的数据分析提供了一个更为准确和可靠的功率数据。

▲图表5.电压与功率随时间变化

综上所述，从多个方面考量，JESD51-14标准中推荐的静态法显然更加适宜。无论是从采样点数的密集程度，还是电学底噪对数据采集精度的影响，亦或是电流切换对数据采集的干扰，静态法均展现出其优越性。尤为关键的是，静态法在采集功率的准确性方面表现突出，为数据分析提供了更为可靠的基础。因此，综合各方面因素，对于瞬态热测试而言，静态法无疑是更合适的选择。