热阻热瞬态测试仪(T3ster)
一.T3ster及其特点
热瞬态测试仪T3Ster，用于半导体器件的先进热特性测试仪，同时用于测试IC、SoC、SIP、散热器、热管等的热特性。
1.兼具 JESD51-1定义的静态测试法（Static Mode）与动态测试法（Dynamic Mode）， 能够实时采集器件瞬态温度响应曲线 （包括升温曲线与降温曲线），其采样率高达 1 微秒，测试延迟时间高达 1 微秒，结温分辨率高达 0.01℃。
2.既能测试稳态热阻，也能测试瞬态热阻抗。
3.满足JEDEC*新的结壳热阻（θｊｃ）测试标准（JESD51-14）。
4.测试方法符合 IEC 60747系列标准。
5.满足 LED 的国际标准 JESD51-51，以及LED 光热一体化的测试标准 JESD51-52。
6.测试方法符合 MIL-STD-883H method 1012.1 和 MIL-750E 3100 系列的要求。
7.结构函数分析法，能够分析器件热传导路径上每层结构的热学性能（热阻和热容参数），构建器件等效热学模型。
8.可以和热仿真软件 Flotherm，FloEFD 无缝结合，将实际测试得到的器件热学参数导入仿真软件进行后续仿真优化。
测试LED产品的相关参数：
基板温度：室温~90℃
*小采样时间间隔：1μs
结温测试分辨率：0.01℃
典型电压测量分辨率：12μV
二. T3Ster 系统及备件一览表
序号
设备名称
制造商
产地
单位
数量
1
热瞬态测试系统
热阻分析仪主机
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
2
恒温器
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
3
热电偶前置放大器
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
4
参考标定模型
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
5
功率放大器
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
6
前置脉冲分频器
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
7
前置脉冲分频器
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
8
前置脉冲分频器
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
9
制冷盘
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
10
直流电源
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
11
加热/制冷循环器
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
12
软件
Mentor
Graphics
匈牙利
台
1
序号
备件设备名称
制造商
产地
单位
数量
1
电源线
Mentor
Graphics
匈牙利
套
4
2
测试工具及专用工具
Mentor
Graphics
匈牙利
套
4
三. T3Ster 系统技术规格
1.加热功率：0-10A/150V（电流线性可调），满足大功率高压LED产品测试；
2.电流范围：0-10A，线性输出；
3.器件电压：0-150V；
4.电流准确度：0.05%；
5.K系数测试电流：0-200mA（电流线性可调），与外部控温装置联动，自动测试K系数；
6.电流范围：0-200mA，线性输出；
7.器件电压：0-150V；
8.电流准确度：0.05%；
9.Gate控制电压：0-10V（线性可调）；
10.电压范围：0-10V；
11.电压准确度：0.05%；
12.加热状态到测试状态切换时间：1s；
13.具有循环脉冲输出功能：输出脉冲循环次数可设置一次到无数次；
14.温度测试方法：ETM测试法（器件导通电压作为温度敏感变量），兼容三大测试标准：JEDEC（JESD51-1，JESD51-14，JESD51-50，JESD51-51，JESD51-52），MIL-STD-750E，IEC60747；
15.瞬态热测试方法：提供两种测试方法：静态测试法（持续加热，热平衡后，冷却中连续测试）；动态测试法（脉冲加热，单点测试）；
16.电压信号采样速率：1us/次；
17.温度采样精度：0.0006℃（电压分辨率12uV模式下）；
18.瞬态热测试完成后，输出的热阻热容网络模型，可以被热仿真软件使用，进行仿真分析；
19.通过分析软件可得到内部机构函数，结构函数反映了从发热源（原点）到环境（*后直线向上部分）的热流路径上的所有热容与热阻分布。根据结构函数上斜率（热容与热阻的比值）变化，可以区分出不同材料，用直观的方式，帮助分析散热路径上不同材料的热阻与热容；
20.光、热、电联合测试，可配合积分球和光学测试主机进行光、热、电联合测试；
21.热电偶测量准确度：+/-0.5℃；
22.热温测量范围：﹣50℃~200℃；
23.热阻可测量范围：0℃/W~1000℃/W；
24.温控装置温控范围：5℃~90℃，温度稳定性﹢/﹣0.2℃。
四. T3Ster 的应用范围及功能
1.应用范围:
①各种三*管、二*管等半导体分立器件，包括：常见的半导体闸流管、双*型晶体管、以及大功率 IGBT、MOSFET、LED 等器件；
②各种复杂的 IC以及 MCM、SIP、SoC 等新型结构 ；
③各种复杂的散热模组的热特性测试，如热管、风扇等 。
2.功能：
①半导体器件结温测量；
②半导体器件稳态热阻及瞬态热阻抗测量；
③半导体器件热阻和热容测量，给出器件的热阻热容结构（RC 网络结构）；
④半导体器件封装内部结构分析，包括器件封装内部每层结构（芯片+焊接层+热沉等）的热阻和热容参数；
⑤半导体器件老化试验分析和封装缺陷诊断，帮助用户准确定位封装内部的缺陷结构；
⑥材料热特性测量（导热系数和比热容）；
⑦接触热阻测量，包括导热胶、新型热接触材料的导热性能测试。
五. 测试方法——基于电学法的热瞬态测试技术
1.测试方法——电学法
寻找器件内部具有温度敏感特性的电学参数，通过测量该温度敏感参数（TSP）的变化 来得到结温的变化。
TSP 的选择：一般选取器件内 PN 结的正向结电压。
2.测试技术：热瞬态测试
① 当器件的功率发生变化时，器件的结温会从一个热稳定状态变到另一个稳定状态，T3Ster 将会记录结温瞬态变化过程（包括升温过程与降温过程）。
② 一次测试，既可以得到稳态的结温热阻数据，也可以得到结温随着时间的瞬态变化曲线。
③ 瞬态温度响应曲线包含了热流传导路径中每层结构的详细热学信息（热阻和热容参数）。
六.应用实例
1.如何利用结构函数识别器件的结构：
LED的一般散热路径为：芯片-固晶层-支架或基板-焊锡膏-辅助测试基板-导热连接材料
如下面结构函数显示，结构函数上越靠近 y 轴的地方代表着实际热流传导路径上接近芯片有源区的结构，而越远离 y 轴的地方代表着热流传导路径上离有源区较远的结构。
积分结构函数是热容—热阻函数，曲线上平坦的区域代表器件内部热阻大、热容小的结构，陡峭的区域代表器件内部热阻小、热容大的结构。
微分结构函数中，波峰与波谷的拐点就是两种结构的分界处，便于识别器件内部的各层结构。
在结构函数的末端，其值趋向于一条垂直的渐近线，此时代表热流传导到了空气层，由于空气的体积无穷大，因此热容也就无穷大。从原点到这条渐近线之间的 x 值就是结区到空气环境的热阻，也就是稳态情况下的热阻。
2.利用结构函数识别器件封装内部的“缺陷”：
对比上面两个器件的剖面结构，固晶层可见明显差异。如下图，左边为正常产品，右边为固晶层有缺陷的产品。
根据上图显示，固晶层缺陷会造成的热阻增大，影响散热性能，具体的影响程度与缺陷的大小有关。
3.测量结壳热阻：
两次测试的分别：**次测量，器件直接接触到基板热沉上；第二次测量，器件和基板热沉中间夹着导热双面胶。由于两次散热路径的改变仅仅发生在器件封装壳之外，因此结构函数上两次测量的分界处就代表了器件的壳。如下图所示的曲线变化，可得出器件的精确热阻。
4.结构无损检测：
同批次产品，取固晶层完好、边缘缺陷以及中间缺陷的样品测试。固晶完好的固晶层应为矩形，而边缘和中间存在缺陷，则固晶层不规则，下图两种缺陷的图片。
测试出三条热阻曲线。由于三次测试的芯片是一样的，因此在结构函数中表征芯片部分的曲线是完全重合在一起的。随着固晶层损伤程度的增加，该结构层的热阻逐渐变大。这是由于空洞阻塞了有效的散热通道造成的。
根据测试结果，不仅可以定性地找出存在缺陷的结构，而且还能定量得到缺陷引起的热阻的变化量。
5.老化试验表征手段：
下图为一个高温高湿老化案例中同一样品不同时期的热阻曲线。
老化前后，从芯片后波峰的移动可以清晰地看出由于老化造成的分层，导致了芯片粘结层的热阻增大。对样品不同阶段的热阻测试，可得到每层结构的热阻变化，根据变化分析老化机理，从而改善产品散热性能。
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