使用热电偶进行温度测量时的注意点
测量封装的表面温度以估计半导体器件的结温。 但是，如果测量不正确，则可能无法获得正确的结果。 本应用笔记解释了有关温度测量的注意事项。 本应用笔记的内容普遍适用，与半导体器件的类型无关
使用热电偶进行热测量
热电偶用作测量半导体封装表面温度的一种手段。但是，如果热电偶处理不当，得到的结果可能与实际情况有所不同，因此必须注意。虽然表面温度也可以使用热成像仪测量，但最终产品被封装在机箱中，在大多数情况下无法查看测量目标。因此，使用热电偶进行接触式测量较为常用。
使用热电偶时的注意事项
第一点是关于热电偶的类型。
虽然热电偶有 10 种类型，但称为 K 型和 T 型的热电偶适用于半导体的表面温度测量。
表 1 总结了这两种热电偶的规格。T型虽然公差小，但其正极具有高导热性。因此，热电偶可以用作散热器，将测量温度降低到实际温度以下。因此，认为 K 类 1 类热电偶是热测量的理想选择。
表 1. K 型和 T 型热电偶规格汇总
第二点是关于热电偶的尺寸。
由于线径较大的热电偶会引起热电偶本身的热辐射，因此测量目标的温度会降低到实际值以下。为了减轻这种影响，所使用的热电偶应尽可能薄。在相关的 JEDEC 标准中，推荐使用 AWG 36 至 40。
图 1 显示了使用不同类型的热电偶和不同线径的热电偶测量的结果。左图显示了使用 K 型和AWG 38（小线径）的示例，而右图显示了使用Type 使用 T（比 K 型导热系数更高）和AWG 28（大线径）。由于右侧通过热电偶的热辐射较大，因此测得的温度比左侧低24% (16.7°C)。随着封装尺寸的减小，这种影响会变得更大。
图 1. 热电偶类型和线径不同导致的测量温度差异示例
第三点是关于热电偶的尖端处理。
如图 2 所示，最简单的方法是将尖端扭几下，使其与导线缠绕在一起。不过，由于该方法在第一个接触点处测量温度，因此剩余部分是不必要的，并且可能会导致不良的热辐射。但是，由于切断剩余部分会损害接触，因此温度变得不稳定。
图 2. 采用双绞线作为尖端处理的热电偶
最好的方法是焊接尖端，如图 3 所示。对于焊接，使用热电偶的商用点焊机。或者，可以使用带有焊接尖端的热电偶。
图 3. 焊接尖端作为尖端处理的热电偶
图 4 显示了焊接或扭曲尖端时测量温度差异的示例。扭曲的尖端提供的结果比焊接的尖端低2.3% (1.6°C)。随着封装尺寸的减小，这种影响也变得更大。
图 4. 尖端处理不同导致的测量温度差异示例
（K 型，AWG 38（0.102 毫米，0.0040 英寸）
第四点是关于连接热电偶的位置。
JEDEC 标准规定封装表面温度应在封装上表面的中心测量。如图 5 中的热电偶安装示例所示，从封装的四个角画出对角线，并使用它们的交叉点作为安装热电偶的指南。
图 5. 热电偶安装示例，其中对角线从封装的四个角绘制，并使用它们的交叉点作为指导
图 6 显示了模拟由于位置位移引起的温差的结果。从 A 点到 B 点的移动大约1.4 毫米会导致 1.6% (1.2°C) 的下降，而从 A 点到 C 点的大约2.8 毫米的移动会导致 3.7% (2.7°C) 的下降。注意尽量使热电偶居中。
图 6.测量位置不同导致的温度差异示例，使用HRP7 封装模拟
第五点是关于热电偶的固定方法。
最简单的方法是用耐热聚酰亚胺胶带固定热电偶。尽管此方法有助于固定和移除热电偶，但热电偶可能会在测量过程中因剥落而从设备上提起。
此外，由于如果将胶带贴在设备上，会阻止与大气的对流，因此温度是在不同于原始环境的热辐射环境中测量的。JEDEC标准建议使用最少量的环氧树脂粘合剂来固定热电偶。ROHM 也采用了这种方法。由于环氧树脂粘合剂在测量过程中不太可能剥落，并且需要较小的面积来固定热电偶，因此对测量的影响是有限的。有必要固定热电偶，使环氧树脂不会流入设备和热电偶之间的空间。
图 7 显示了由于固定方法不同而导致的温度差异的示例。与粘合剂相比，聚酰亚胺胶带的结果低 3.7% (2.6°C)。这可归因于热电偶和设备之间的粘附性差。在较高温度下，胶带的粘合强度降低，测量温度进一步降低。
图 7. 由于热电偶固定方法不同导致的温度差异示例
K 型，AWG 38（0.102 毫米，0.0040 英寸）
第六点是关于热电偶的接线方法。
当热电偶固定在设备上并将其导线拉到测量仪器上时，接线的路线会影响测量。如图 8 所示，导线应沿着封装主体到PCB 布置。这样可以缓解由于导线的热辐射导致热电偶结的温度下降。这在JEDEC 标准中也被描述为布线技术。
图 8.热电偶线的布线方法：沿着封装主体到 PCB 布线可以缓解热电偶结温度因线的热辐射而下降
第七点是测量环境必须与最终产品的环境相同。
例如，考虑在恒温器室中测量评估板的情况。图 9 显示了安装在恒温器室中的测量板示例。箱体内装有循环风机使温度均匀，形成强制风冷环境。如果板子或设备采用强制风冷方式进行冷却，则需要安装防护装置，例如防风罩，以创造接近自然对流的环境。
图 9 恒温箱内循环风扇对热测量的影响
图 10显示了防止循环风扇影响的示例。安装防风罩（或盒子），使测量对象不会暴露在循环风扇的风中。在热电偶不直接暴露在风中的地方放置一个单独的热电偶，等待环境温度稳定。此外，如果最终产品密封在机箱内或如果有其他热源，则条件与仅测量的结果不同 一块评估板。因此，评估必须在与最终产品等效的状态下进行。
图 10. 防止循环风扇影响的示例
总结
使用热电偶进行温度测量的特点和注意事项总结如下。
特点
•测量封装的表面温度。
•由于测量是接触式的，由于热电偶的安装方式容易出错。
•结温不能直接测量。
注意事项
1、热电偶的种类很多。使用不适合给定应用的热电偶会降低测量温度。1 类 K 类推荐用于半导体器件应用。
2. 由于热电偶本身的热辐射，大线径会降低测量温度。建议使用AWG36 至 40。
3.焊接是尖端处理的理想选择。双绞线会降低测量的温度。
4. 将热电偶贴在封装表面的中心。如果热电偶偏离中心，将无法正确测量温度。
5. 推荐使用最少量的环氧树脂粘合剂作为这些固化方法。聚酰亚胺胶带可以从设备上提起，从而降低测量温度。
6. 走线应沿着封装主体到PCB。这可以减轻由于导线的热辐射引起的热电偶结的温度下降。
7.测量环境必须与最终产品的环境相同
参考文献
[1] JESD51-1:1995，集成电路热测量方法 - 电气测试方法（单个半导体器件）
[2] JESD51-2A:2008，集成电路热测试方法环境条件 - 自然对流（静止空气）
[3] IEC 60584-1:2013，热电偶 - 第 1 部分：EMF规范和公差
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[6] JIS 1602, 2015, 热电偶
[7] JIS 1610:2012，热电偶的延长和补偿电缆
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