如何用卷积工具准确预测结温

半导体结温是芯片内部PN结的实际工作温度，直接决定器件可靠性与性能，因为：

l影响寿命：结温每升高10℃，器件寿命约减半，高温会加速材料老化而导致失效；

l关乎性能：某些器件，高温会导致导通电阻增大、开关速度变慢，影响系统稳定性；

l决定安全：结温超标可能引发热失控，导致器件烧毁，引发设备故障。

这里的结温通常指Tvj，也就是结的虚拟温度，实际上是结区发热部分的平均温度，工程应用上，常用的测试结温的方法有几种：

l热敏电阻法：在器件近结区植入热敏电阻，通过电阻-温度特性换算结温，成本低、操作简单，该方法测量的是结区某点的温度，而如果该热敏电阻不是芯片自带的话，热敏电阻和结区之间会存在接触热阻，该接触热阻值不可忽略，而且随着时间的推移，这个值还会发生较大的变化，因此该方法误差较大；

l红外测温法：利用红外热像仪检测器件结区温度，直观快捷，该方法测试的结果是一个温度分布，如果需要转化成Tvj，通常需要加权平均（算法难以统一），误差也是难免，常用于横向比较；

l电学参数法：通过测量正向压降、反向漏电流等温度敏感参数，对照校准曲线计算结温，无需破坏器件，该方法测量精度高，实际工程应用中，结温是由于工作电流导致的，若要测量结温，需要切换成测试电流，半导体Die的时间常数通常是10us级别，切换时间过长，会造成比较大的测量误差；

l热阻计算法：通过施加固定功率，测量结区与环境的温差，结合热阻公式（Tj=Ta+P×Rja）计算结温，除了Rja以外，工程应用上还有Rjc，Rjb，Rjt以及热特性参数(ψ)‌等等，该方法的问题在于两点，一是热阻值必须对应特定的测量条件，二是功率不可能完全施加在特定的散热路径上，尤其是多热源时，还存在功率耦合的复杂情况，因而实际结温的估算误差也很大。

综上所述，上述测量方式对于结温测量的误差，总体来说都比较大（30-50%的误差是比较常见的），会结合实际应用场景选择性使用，需兼顾准确性与实用性，重点关注结温不超过器件规格书规定的最大值（通常125℃或150℃），在功率密度不高的情况下，规格书热阻值又存在一定的余量，一般不会出现设计问题，因而在工程中广泛使用。随着新能源，光伏，以及AI的应用不断深化，功率密度呈指数级上升，工业上，对于结温的准确估算的需求（关乎到成本，性能和寿命），也越来越迫切。

当器件工作时，通过器件的电流会在器件上产生一定的功率，导致器件的结温升高。从下图可知，当有功率存在且不变时，一方面，在散热路径上的热阻上产生温度差，热阻大小决定温度差的大小，另一方面，在散热路径的热容上充热，热容的大小决定加热的时间的长短，当热量充满时，温度不再发生变化。

由此可见，影响结温的的因素是结区的功率和散热路径，只要基于准确的功率和散热路径的参数，理论上，我们就可以得到结温。

芯片的功率获得比较容易，散热路径我们可以理解成结构函数或者Zth，如果要实时计算结温，Zth是散热路径的常用表征工具。当芯片以恒定的功率加热时，Zth曲线就是芯片结温随时间的变化曲线。

实际上芯片的功率是瞬态变化的，如果Zth曲线是准确的，功率随时间的变化图谱也是准确的，我们一样可以通过卷积，实时得到芯片的准确结温。

基于Matlab便可以做这样的结温计算。也是为了降低工程师的工作量，让工程师可以极低门槛地，高效地，准确地完成热设计任务，2026年，鲁欧智造向市场推出繁星工具集。繁星工具集由一系列中小工具组成，覆盖评估，优化，建模和转换，这些工具将有效串联起测试和仿真，帮助用户轻松搭建完整的热设计流程。

卷积工具就是繁星工具集中的一个重要的基础工具。

卷积工具支持芯片多个热源的耦合，输入多个Zth和各种热源的功耗，工具即可以非常快地计算出芯片的瞬态耦合温度。用满足JESD 51-14的设备，可以直接测出单热源的Zth，但要准确测出多热源的Zth，只能是CXAI类的设备（支持不同的测试通道独立控制，并能实现微秒级同步关断）。

卷积工具也支持仿真的Zth，在概念设计阶段，如果还没有样品，可以通过相对准确的热模型，仿真出误差可控的Zth，也能估算芯片的结温。

卷积工具的具体应用：

Ø确定芯片的功率和Zth，可以得到瞬态结温；

Ø如果有芯片的等效的热模型，可以得到Zth，在确定载荷谱下，也可以得到瞬态结温。鲁欧智造的繁星工具集，预计26年会推出自动校准工具，基于测试的数据和仿真的深度拟合，自动输出高精度等效热模型（目前的精度可以保证在温度上升的过程中，每个时间点的温度误差都小于1%，完全可以满足结温预测的要求），该校准工具支持多热源校准；

Ø确定多热源的自Zth和互Zth，以及每个热源的载荷谱，可以得到结温耦合分布；

Ø如果有多热源的等效热模型，可以仿真出多热源的Zth，同样也可以得到结温分布；

Ø确定Transfer Point在某一个特定热源下的Zth，可以根据Transfer Point的实时温度，推算出特定热源的功率，从而再根据热源的Zth，推算出热源的结温（适合于单热源）。

第五项应用，要求Transfer Point的时间常数足够小（和误差相关），比如芯片集成的二极管等等，对于系统的过温保护等应用，提供非常便利的解决方案。

我们尝试用一个多热源的案例来简单介绍卷积工具的实际使用过程。下图的系统有两个芯片，即是有两个发热区域。

对于一个散热系统，热源的功率是可以线性叠加的，为了简化热传导的模型，我们假定散热路径是系统的本征特性，是时不变系统。

对于线性时不变系统，多芯片同时加热的温度结果等于多个单芯片单独加热结果的线性叠加。例如：为了得到多芯片发热时芯片1的结果，我们需要首先知道芯片1单独发热时，得到芯片1的温度，通过P1和Zth(1,1)卷积获得，在芯片2单独发热时，也能得到芯片1的温度，通过P2和Zth(1,2)卷积获得，最终芯片1的温升是两个结果的叠加。同样的原理可以计算芯片2的温度。

按照要求，输入功耗和热阻抗矩阵

步骤三）计算

过程简单明了，精度高，为工程师提供了非常多的便利，如需要试用，请发邮件至aijun_zhou@luology,com，会有专人支持，感谢关注。