在电动汽车、工业电源、5G射频等高功率应用中，芯片的“体温”直接决定其寿命。即使电性参数完全正常，局部过热也可能悄然引发焊点开裂、金属电迁移或栅氧退化，最终导致功能失效。而衡量芯片散热能力的核心指标，就是热阻（Thermal Resistance）。
简单来说，热阻越低，芯片产生的热量越容易传递到外部环境；热阻越高，热量就越容易“堆积”在内部，造成结温飙升。在失效分析中，若忽视热阻评估，很容易将热致失效误判为设计或制造缺陷。
本文将系统介绍热阻的工程意义、主流测试方法、典型应用场景及实操要点，助力工程师更全面地理解“热”在芯片失效中的角色。
一、热阻是什么？为什么它关乎芯片生死？
热阻描述的是芯片从内部发热区域（通常称为“结”）到外部参考点（如外壳或环境）之间传递热量的“阻力”。单位是°C/W，数值越小越好。
举个例子：
- 若某功率芯片在10瓦功耗下，热阻为2°C/W，则其内部温度会比外壳高出约20°C；
- 若热阻升至4°C/W，同样功耗下温升就达到40°C——这可能已逼近材料极限。
高温不仅加速材料老化，还会显著缩短器件寿命。行业经验表明，芯片工作温度每升高10–12°C，其预期寿命大约减少一半。因此，准确掌握热阻，是判断芯片是否“带病运行”的关键。
二、主流热阻测试方法（基于JEDEC标准）
国际半导体工程委员会（JEDEC）制定了JESD51系列标准，为热阻测试提供统一规范。目前业界广泛采用以下几种方法：
| 方法 | 原理简述 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 静态电学法 | 利用芯片内部PN结的电压-温度特性，通过测量微小正向压降反推结温 | 适用于MOSFET、二极管、IGBT等含PN结的器件 |
| 动态双界面法（JESD5-14） | 在两种不同热界面条件下进行瞬态热响应测试，分离出“结到壳”热阻 | 封装级评估，尤其适合TO-220、D2PAK等功率封装 |
| 红外热成像法 | 使用高分辨率红外相机捕捉芯片表面温度分布 | 快速定位热点区域，但无法直接获取内部结温 |
| 结构函数分析法 | 基于瞬态热响应曲线，反演出热流路径中各层（如焊料、基板、导热胶）的热阻贡献 | 用于深度分析封装内部界面缺陷 |
✅ 行业推荐：在失效分析中，动态双界面法因其精度高、可量化“结到壳”热阻，已成为功率器件热性能评估的黄金标准。
三、热阻测试在失效分析中的四大价值
1. 揭示封装工艺缺陷
焊接空洞、界面分层、导热胶缺失等问题会显著阻碍热量传导，导致热阻异常升高。通过对比良品与失效样品的热阻数据，可快速锁定封装环节的问题。
2. 区分热失效与其他失效机制
如果失效芯片的热阻明显偏高，说明过热很可能是主因；若热阻正常，则需转向ESD、EOS、电迁移等其他方向排查。
3. 验证散热设计方案
客户常需评估不同PCB铜厚、散热器或导热垫对实际热性能的影响。热阻测试可提供客观数据，支撑热管理优化。
4. 支撑可靠性寿命预测
在高温老化（HTOL）或功率循环测试中，真实的结温是寿命模型的关键输入。仅靠环境温度估算结温误差极大，而热阻测试能提供更准确的温升依据。
四、确保测试结果可靠的关键操作要点
- 样品准备要规范：清洁封装表面，确保导热界面材料均匀涂抹，安装压力符合标准要求；
- 校准不可省略：需提前建立器件电压与温度的对应关系，这是电学法测温的基础；
- 测试环境需稳定：避免气流、振动或温度波动干扰测量；
- 重复验证有必要：同一样品建议多次测试，确保数据一致性（偏差应小于5%）；
- 结合其他手段交叉验证：如X-ray看空洞、SAM查分层、红外看热点，形成完整证据链。
五、常见误区提醒
- ❌ “数据手册里的热阻值可以直接用”
→ 实际热阻受PCB布局、散热器、安装方式影响极大，必须在接近真实工况下实测。 - ❌ “红外相机拍到的就是结温”
→ 红外只能看到表面温度，芯片内部结温通常更高，需通过电学方法间接获取。 - ❌ “热阻正常就排除热问题”
→ 局部热点（如单个功率单元过流）可能不会显著拉高整体热阻，需配合热成像精细扫描。
总结
热阻测试是连接“电性能”与“热行为”的桥梁，也是芯片失效分析中不可或缺的一环。尤其对于功率器件，热管理能力往往比电参数更能决定长期可靠性。通过标准化的热阻测量，工程师不仅能识别封装缺陷，还能科学区分失效根源，避免误判与重复失效。
作为专业的芯片失效分析与可靠性测试服务商，上海德垲检测已建立符合JEDEC JESD51-14标准的完整热阻测试能力，支持Si、SiC、GaN等各类功率芯片的“结到壳”热阻评估，并可结合X-ray、超声扫描、热仿真提供一站式热可靠性解决方案。
如您在功率芯片热性能验证、热致失效分析或封装热设计优化方面有需求，欢迎联系我司获取专业支持。