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熱阻熱瞬態測試儀(T3ster) 發布時間:2024-11-13 10:20:06



一.T3ster及其特點

熱瞬態測試儀T3Ster,用于半導體器件的先進熱特性測試儀,同時用于測試IC、SoC、SIP、散熱器、熱管等的熱特性。


1.兼具 JESD51-1定義的靜態測試法(Static Mode)與動態測試法(Dynamic Mode), 能夠實時采集器件瞬態溫度響應曲線 (包括升溫曲線與降溫曲線),其采樣率高達 1 微秒,測試延遲時間高達 1 微秒,結溫分辨率高達 0.01℃。

2.既能測試穩態熱阻,也能測試瞬態熱阻抗。

3.滿足JEDEC最新的結殼熱阻(θjc)測試標準(JESD51-14)。 

4.測試方法符合 IEC 60747系列標準。

5.滿足 LED 的國際標準 JESD51-51,以及LED 光熱一體化的測試標準 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.結構函數分析法,能夠分析器件熱傳導路徑上每層結構的熱學性能(熱阻和熱容參數),構建器件等效熱學模型。

8.可以和熱仿真軟件 Flotherm,FloEFD 無縫結合,將實際測試得到的器件熱學參數導入仿真軟件進行后續仿真優化。  


熱阻熱瞬態測試儀(T3ster) 副本.jpg


測試LED產品的相關參數:

基板溫度:室溫~90℃

 最小采樣時間間隔:1μs

 結溫測試分辨率:0.01℃

典型電壓測量分辨率:12μV


二. T3Ster 系統技術規格

1.加熱功率:0-38A/40V(電流線性可調),滿足大功率高壓LED產品測試;
2.電流范圍:0-38A,線性輸出;
3.器件電壓:0-40V;
4.電流準確度:0.05%;
5.K系數測試電流:0-200mA(電流線性可調),與外部控溫裝置聯動,自動測試K系數;
6.電流范圍:0-200mA,線性輸出;
7.Gate控制電壓:0-10V(線性可調);
8.加熱狀態到測試狀態切換時間:1s;
9.具有循環脈沖輸出功能:輸出脈沖循環次數可設置一次到無數次;
10.溫度測試方法:ETM測試法(器件導通電壓作為溫度敏感變量),兼容三大測試標準:JEDEC(JESD51-1,JESD51-14,JESD51-50,JESD51-51,JESD51-52),MIL-STD-750E,IEC60747;
11.瞬態熱測試方法:提供兩種測試方法:靜態測試法(持續加熱,熱平衡后,冷卻中連續測試);動態測試法(脈沖加熱,單點測試);
12.電壓信號采樣速率:1us/次;

13.溫度采樣精度:0.0006℃(電壓分辨率12uV模式下);

14.瞬態熱測試完成后,輸出的熱阻熱容網絡模型,可以被熱仿真軟件使用,進行仿真分析;
15.通過分析軟件可得到內部機構函數,結構函數反映了從發熱源(原點)到環境(最后直線向上部分)的熱流路徑上的所有熱容與熱阻分布。根據結構函數上斜率(熱容與熱阻的比值)變化,可以區分出不同材料,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;
16.光、熱、電聯合測試,可配合積分球和光學測試主機進行光、熱、電聯合測試;
17.熱電偶測量準確度:+/-0.5℃;
18.熱溫測量范圍:﹣50℃~200℃;

19.熱阻可測量范圍:0℃/W~1000℃/W;

20.溫控裝置溫控范圍:0℃~150℃,溫度穩定性﹢/﹣0.2℃。


三. T3Ster 的應用范圍及功能  

1.應用范圍:  

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

②各種復雜的 IC以及 MCM、SIP、SoC 等新型結構 ;  

③各種復雜的散熱模組的熱特性測試,如熱管、風扇等 。


2.功能:

①半導體器件結溫測量;

②半導體器件穩態熱阻及瞬態熱阻抗測量;  

③半導體器件熱阻和熱容測量,給出器件的熱阻熱容結構(RC 網絡結構);  

④半導體器件封裝內部結構分析,包括器件封裝內部每層結構(芯片+焊接層+熱沉等)的熱阻和熱容參數;  

⑤半導體器件老化試驗分析和封裝缺陷診斷,幫助用戶準確定位封裝內部的缺陷結構;  

⑥材料熱特性測量(導熱系數和比熱容);

⑦接觸熱阻測量,包括導熱膠、新型熱接觸材料的導熱性能測試。 


四. 測試方法——基于電學法的熱瞬態測試技術

1.測試方法——電學法

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

TSP 的選擇:一般選取器件內 PN 結的正向結電壓。


2.測試技術:熱瞬態測試

① 當器件的功率發生變化時,器件的結溫會從一個熱穩定狀態變到另一個穩定狀態,T3Ster 將會記錄結溫瞬態變化過程(包括升溫過程與降溫過程)。

② 一次測試,既可以得到穩態的結溫熱阻數據,也可以得到結溫隨著時間的瞬態變化曲線。

③ 瞬態溫度響應曲線包含了熱流傳導路徑中每層結構的詳細熱學信息(熱阻和熱容參數)。


五.應用實例

1.如何利用結構函數識別器件的結構:

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-導熱連接材料

LED封裝側面結構(熱散熱路徑)


金鑒實驗室可以測試LED、BJT、IGBT、HEMT、MOSFET等半導體器件,可以得出如述的熱阻曲線圖,可讀出測試產品總熱阻(整個散熱路徑),也可根據測試樣品的結構,判定曲線中的熱阻分層,獲得封裝器件芯片-固晶層-支架或基板-焊錫膏-輔助測試基板-導熱連接材料的熱阻。


1)LED熱阻曲線(IF=150mA,Tc=25℃)


圖片1.png

 

2)BJT熱阻曲線圖(IF=500mA,Tc=25℃)


圖片2.png

 

3)IGBT熱阻曲線圖(IF=800mA,Tc=25℃)


圖片3.png

 

4)HEMT熱阻曲線圖(IF=10000mA,Tc=25℃)


圖片4.png

 

5)MOSFET熱阻曲線圖(IF=3000mA,Tc=25℃)


圖片5.png



如下面結構函數顯示,結構函數上越靠近 y 軸的地方代表著實際熱流傳導路徑上接近芯片有源區的結構,而越遠離 y 軸的地方代表著熱流傳導路徑上離有源區較遠的結構。


積分結構函數是熱容—熱阻函數,曲線上平坦的區域代表器件內部熱阻大、熱容小的結構,陡峭的區域代表器件內部熱阻小、熱容大的結構。


微分結構函數中,波峰與波谷的拐點就是兩種結構的分界處,便于識別器件內部的各層結構。


在結構函數的末端,其值趨向于一條垂直的漸近線,此時代表熱流傳導到了空氣層,由于空氣的體積無窮大,因此熱容也就無窮大。從原點到這條漸近線之間的 x 值就是結區到空氣環境的熱阻,也就是穩態情況下的熱阻。


LED熱阻微分結構函數積分結構函數


2.利用結構函數識別器件封裝內部的“缺陷”:

LED固晶層缺陷圖片對比


對比上面兩個器件的剖面結構,固晶層可見明顯差異。如下圖,左邊為正常產品,右邊為固晶層有缺陷的產品。


LED固晶層缺陷熱阻數據


根據上圖顯示,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。


3.測量結殼熱阻:

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熱雙面膠。由于兩次散熱路徑的改變僅僅發生在器件封裝殼之外,因此結構函數上兩次測量的分界處就代表了器件的殼。如下圖所示的曲線變化,可得出器件的精確熱阻。


LED精準熱阻測試


4.結構無損檢測:

同批次產品,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為矩形,而邊緣和中間存在缺陷,則固晶層不規則,下圖兩種缺陷的圖片。


固晶層兩種缺陷圖


測試出三條熱阻曲線。由于三次測試的芯片是一樣的,因此在結構函數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,該結構層的熱阻逐漸變大。這是由于空洞阻塞了有效的散熱通道造成的。


LED固晶層缺陷熱阻圖


根據測試結果,不僅可以定性地找出存在缺陷的結構,而且還能定量得到缺陷引起的熱阻的變化量。


5.老化試驗表征手段:

下圖為一個高溫高濕老化案例中同一樣品不同時期的熱阻曲線。

LED熱阻老化熱阻波峰移動圖

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,導致了芯片粘結層的熱阻增大。對樣品不同階段的熱阻測試,可得到每層結構的熱阻變化,根據變化分析老化機理,從而改善產品散熱性能。





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