一文詳解熱阻熱瞬態(tài)測試儀

一.T3ster及其特點(diǎn)

熱瞬態(tài)測試儀T3Ster，用于半導(dǎo)體器件的先進(jìn)熱特性測試儀，同時(shí)用于測試IC、SoC、SIP、散熱器、熱管等的熱特性。

1.兼具 JESD51-1定義的靜態(tài)測試法（Static Mode）與動態(tài)測試法（Dynamic Mode），能夠?qū)崟r(shí)采集器件瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線（包括升溫曲線與降溫曲線），其采樣率高達(dá) 1 微秒，測試延遲時(shí)間高達(dá) 1 微秒，結(jié)溫分辨率高達(dá) 0.01℃。

2.既能測試穩(wěn)態(tài)熱阻，也能測試瞬態(tài)熱阻抗。

3.滿足JEDEC最新的結(jié)殼熱阻（θｊｃ）測試標(biāo)準(zhǔn)（JESD51-14）。

4.測試方法符合 IEC 60747系列標(biāo)準(zhǔn)。

5.滿足 LED 的國際標(biāo)準(zhǔn) JESD51-51，以及LED 光熱一體化的測試標(biāo)準(zhǔn) JESD51-52。

6.測試方法符合 MIL-STD-883H method 1012.1 和 MIL-750E 3100 系列的要求。

7.結(jié)構(gòu)函數(shù)分析法，能夠分析器件熱傳導(dǎo)路徑上每層結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能（熱阻和熱容參數(shù)），構(gòu)建器件等效熱學(xué)模型。

8.可以和熱仿真軟件 Flotherm，F(xiàn)loEFD 無縫結(jié)合，將實(shí)際測試得到的器件熱學(xué)參數(shù)導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行后續(xù)仿真優(yōu)化。

測試LED產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)：

基板溫度：室溫~90℃

最小采樣時(shí)間間隔：1μs

結(jié)溫測試分辨率：0.01℃

典型電壓測量分辨率：12μV

二.T3Ster 系統(tǒng)及備件一覽表

序號	?	設(shè)備名稱	制造商	產(chǎn)地	單位	數(shù)量
1	熱瞬態(tài)測試系統(tǒng)	熱阻分析儀主機(jī)	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
2	恒溫器	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
3	熱電偶前置放大器	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
4	參考標(biāo)定模型	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
5	功率放大器	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
6	前置脈沖分頻器	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
7	前置脈沖分頻器	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
8	前置脈沖分頻器	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
9	制冷盤	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
10	直流電源	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
11	加熱/制冷循環(huán)器	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1
12	軟件	Mentor Graphics	匈牙利	臺	1

序號	備件設(shè)備名稱	制造商	產(chǎn)地	單位	數(shù)量
1	電源線	Mentor Graphics	匈牙利	套	4
2	測試工具及專用工具	Mentor Graphics	匈牙利	套	4

三. T3Ster 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

1.加熱功率：0-10A/150V（電流線性可調(diào)），滿足大功率高壓LED產(chǎn)品測試；

2.電流范圍：0-10A，線性輸出；

3.器件電壓：0-150V；

4.電流準(zhǔn)確度：0.05%；

5.K系數(shù)測試電流：0-200mA（電流線性可調(diào)），與外部控溫裝置聯(lián)動，自動測試K系數(shù)；

6.電流范圍：0-200mA，線性輸出；

7.器件電壓：0-150V；

8.電流準(zhǔn)確度：0.05%；

9.Gate控制電壓：0-10V（線性可調(diào)）；

10.電壓范圍：0-10V；

11.電壓準(zhǔn)確度：0.05%；

12.加熱狀態(tài)到測試狀態(tài)切換時(shí)間：1s；

13.具有循環(huán)脈沖輸出功能：輸出脈沖循環(huán)次數(shù)可設(shè)置一次到無數(shù)次；

14.溫度測試方法：ETM測試法（器件導(dǎo)通電壓作為溫度敏感變量），兼容三大測試標(biāo)準(zhǔn)：JEDEC（JESD51-1，JESD51-14，JESD51-50，JESD51-51，JESD51-52），MIL-STD-750E，IEC60747；

15.瞬態(tài)熱測試方法：提供兩種測試方法：靜態(tài)測試法（持續(xù)加熱，熱平衡后，冷卻中連續(xù)測試）；動態(tài)測試法（脈沖加熱，單點(diǎn)測試）；

16.電壓信號采樣速率：1us/次；

17.溫度采樣精度：0.0006℃（電壓分辨率12uV模式下）；

18.瞬態(tài)熱測試完成后，輸出的熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)模型，可以被熱仿真軟件使用，進(jìn)行仿真分析；

19.通過分析軟件可得到內(nèi)部機(jī)構(gòu)函數(shù)，結(jié)構(gòu)函數(shù)反映了從發(fā)熱源（原點(diǎn)）到環(huán)境（最后直線向上部分）的熱流路徑上的所有熱容與熱阻分布。根據(jù)結(jié)構(gòu)函數(shù)上斜率（熱容與熱阻的比值）變化，可以區(qū)分出不同材料，用直觀的方式，幫助分析散熱路徑上不同材料的熱阻與熱容；

20.光、熱、電聯(lián)合測試，可配合積分球和光學(xué)測試主機(jī)進(jìn)行光、熱、電聯(lián)合測試；

21.熱電偶測量準(zhǔn)確度：+/-0.5℃；

22.熱溫測量范圍：﹣50℃~200℃；

23.熱阻可測量范圍：0℃/W~1000℃/W；

24.溫控裝置溫控范圍：5℃~90℃，溫度穩(wěn)定性﹢/﹣0.2℃。

四.T3Ster 的應(yīng)用范圍及功能

1.應(yīng)用范圍：

①各種三極管、二極管等半導(dǎo)體分立器件，包括：常見的半導(dǎo)體閘流管、雙極型晶體管、以及大功率 IGBT、MOSFET、LED 等器件；

②各種復(fù)雜的 IC以及 MCM、SIP、SoC 等新型結(jié)構(gòu) ；

③各種復(fù)雜的散熱模組的熱特性測試，如熱管、風(fēng)扇等。

2.功能：

①半導(dǎo)體器件結(jié)溫測量；

②半導(dǎo)體器件穩(wěn)態(tài)熱阻及瞬態(tài)熱阻抗測量；

③半導(dǎo)體器件熱阻和熱容測量，給出器件的熱阻熱容結(jié)構(gòu)（RC 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）；

④半導(dǎo)體器件封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，包括器件封裝內(nèi)部每層結(jié)構(gòu)（芯片+焊接層+熱沉等）的熱阻和熱容參數(shù)；

⑤半導(dǎo)體器件老化試驗(yàn)分析和封裝缺陷診斷，幫助用戶準(zhǔn)確定位封裝內(nèi)部的缺陷結(jié)構(gòu)；

⑥材料熱特性測量（導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容）；

⑦接觸熱阻測量，包括導(dǎo)熱膠、新型熱接觸材料的導(dǎo)熱性能測試。

五.測試方法——基于電學(xué)法的熱瞬態(tài)測試技術(shù)

1.測試方法——電學(xué)法

尋找器件內(nèi)部具有溫度敏感特性的電學(xué)參數(shù)，通過測量該溫度敏感參數(shù)（TSP）的變化來得到結(jié)溫的變化。

TSP 的選擇：一般選取器件內(nèi) PN 結(jié)的正向結(jié)電壓。

2.測試技術(shù)：熱瞬態(tài)測試

① 當(dāng)器件的功率發(fā)生變化時(shí)，器件的結(jié)溫會從一個(gè)熱穩(wěn)定狀態(tài)變到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，T3Ster 將會記錄結(jié)溫瞬態(tài)變化過程（包括升溫過程與降溫過程）。

② 一次測試，既可以得到穩(wěn)態(tài)的結(jié)溫?zé)嶙钄?shù)據(jù)，也可以得到結(jié)溫隨著時(shí)間的瞬態(tài)變化曲線。

③ 瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線包含了熱流傳導(dǎo)路徑中每層結(jié)構(gòu)的詳細(xì)熱學(xué)信息（熱阻和熱容參數(shù)）。

六.應(yīng)用實(shí)例

1.如何利用結(jié)構(gòu)函數(shù)識別器件的結(jié)構(gòu)：

LED的一般散熱路徑為：芯片-固晶層-支架或基板-焊錫膏-輔助測試基板-導(dǎo)熱連接材料

如下面結(jié)構(gòu)函數(shù)顯示，結(jié)構(gòu)函數(shù)上越靠近 y 軸的地方代表著實(shí)際熱流傳導(dǎo)路徑上接近芯片有源區(qū)的結(jié)構(gòu)，而越遠(yuǎn)離 y 軸的地方代表著熱流傳導(dǎo)路徑上離有源區(qū)較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)。

積分結(jié)構(gòu)函數(shù)是熱容—熱阻函數(shù)，曲線上平坦的區(qū)域代表器件內(nèi)部熱阻大、熱容小的結(jié)構(gòu)，陡峭的區(qū)域代表器件內(nèi)部熱阻小、熱容大的結(jié)構(gòu)。

微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，波峰與波谷的拐點(diǎn)就是兩種結(jié)構(gòu)的分界處，便于識別器件內(nèi)部的各層結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)函數(shù)的末端，其值趨向于一條垂直的漸近線，此時(shí)代表熱流傳導(dǎo)到了空氣層，由于空氣的體積無窮大，因此熱容也就無窮大。從原點(diǎn)到這條漸近線之間的 x 值就是結(jié)區(qū)到空氣環(huán)境的熱阻，也就是穩(wěn)態(tài)情況下的熱阻。

2.利用結(jié)構(gòu)函數(shù)識別器件封裝內(nèi)部的“缺陷”：

對比上面兩個(gè)器件的剖面結(jié)構(gòu)，固晶層可見明顯差異。

固晶層缺陷會造成的熱阻增大，影響散熱性能，具體的影響程度與缺陷的大小有關(guān)。

3.測量結(jié)殼熱阻：

兩次測試的分別：第一次測量，器件直接接觸到基板熱沉上；第二次測量，器件和基板熱沉中間夾著導(dǎo)熱雙面膠。由于兩次散熱路徑的改變僅僅發(fā)生在器件封裝殼之外，因此結(jié)構(gòu)函數(shù)上兩次測量的分界處就代表了器件的殼。

4.結(jié)構(gòu)無損檢測：

同批次產(chǎn)品，取固晶層完好、邊緣缺陷以及中間缺陷的樣品測試。固晶完好的固晶層應(yīng)為矩形，而邊緣和中間存在缺陷，則固晶層不規(guī)則。

測試出三條熱阻曲線。由于三次測試的芯片是一樣的，因此在結(jié)構(gòu)函數(shù)中表征芯片部分的曲線是完全重合在一起的。隨著固晶層損傷程度的增加，該結(jié)構(gòu)層的熱阻逐漸變大。這是由于空洞阻塞了有效的散熱通道造成的。

根據(jù)測試結(jié)果，不僅可以定性地找出存在缺陷的結(jié)構(gòu)，而且還能定量得到缺陷引起的熱阻的變化量。

5.老化試驗(yàn)表征手段：

老化前后，從芯片后波峰的移動可以清晰地看出由于老化造成的分層，導(dǎo)致了芯片粘結(jié)層的熱阻增大。對樣品不同階段的熱阻測試，可得到每層結(jié)構(gòu)的熱阻變化，根據(jù)變化分析老化機(jī)理，從而改善產(chǎn)品散熱性能。

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