探索热阻测试仪在半导体器件热管理中的应用与前景

随着半导体器件不断向高频、高功率、高集成度方向发展，器件的有源区工作温升也随之升高，导致性能及长期可靠性降低。为了有效进行散热设计和性能检测，必须精确测量器件有源区温度变化并分析热阻构成分布，这对半导体器件生产行业及使用单位至关重要。

自1947年第一支双极性晶体管诞生以来，半导体行业的迅速发展改变了社会面貌并影响着人们的生活。从1965年摩尔定律的提出开始，半导体技术按摩尔定律不断发展，集成电路密度增加、尺寸缩小，导致工作过程中散热能力下降。热量积累导致器件结点温度升高，进而性能下降。因此，热阻测试、功率测试在半导体研发中至关重要。

热阻是指热量在热流路径上的阻力，是表征介质或介质间热传导能力的重要参数，其物理意义是单位热量引起的温升，单位是℃/W。把温差看作电压，把热流看作电流，那么热阻就可以看作是电阻。

半导体器件特征尺寸持续缩小、功率密度增加，导致器件结温升高，这直接影响器件性能和寿命。70%的电子器件损坏与高热环境应力密切相关。器件的瞬态温升与热阻密切相关，热阻由芯片层、焊料层、管壳等组成。利用瞬态温升技术，可测得器件稳态热阻和温升，不但可以测得半导体器件稳态热阻和温升，而且可以直接测量各部分对于温升的贡献，计算芯片热流路径上的纵向热阻构成，对器件热可靠性设计、散热问题解决、产品性能提升和长期可靠性至关重要。

目前，国内外对单芯片内部热阻组成和结壳热阻进行了广泛研究，并有一些科研院所和企业研制出了热阻测试仪。美国AnalysisTec公司的Phase11热阻测试仪和MicRed公司的T3Ster热阻测试仪是两款比较有影响力的商业化热阻测试仪。Phase11适用于三极管、MOSFET、二极管和IGBT等器件的热阻测试，操作复杂，测量周期长。T3Ster可以测量常见三极管、常见二极管、MOS管和LED等半导体器件的热阻。该仪器利用结构函数处理可以分析出热流路径上各组成热阻。接下来我们就重点介绍一下T3Ster热阻测试仪。

T3Ster是MicReD研发的热测试仪，运用JEDEC稳态实时测试方法，专业测试分离或集成的双极型晶体管、MOS晶体管、常见的三极管、LED封装和半导体闸流管等器件的热特性。它能测试具有单独加热器和温度传感器的热测试芯片，以及PCB和导热材料的热特性。T3Ster通过改变器件输入功率使其产生温度变化，测试出芯片的瞬态温度响应曲线，在几分钟之内即可分析得到关于该电子器件的全面的热特性。与基于脉冲方法的热测试仪不同，T3Ster采用实时测量方法，能快速准确地捕捉温度瞬态曲线。它可通过在固定电流下测量PN结上的压降实现PN结温度随时间的变化规律。计算机通过接口插件与设备相连并对其进行控制，试验结果实时显示，并由软件进行控制和后处理。结构函数的计算利用NID（Networkidentificationbydeconvolution，反卷积网络计算）方法，要求采集的试验数据非常准确且连续，以保证结果准确性。T3Ster测试仪的瞬态数据采集精度高达1μs，可精确捕捉每一个温度的瞬态变化，保证了分析结果的准确性。其高信噪比可允许精细测量，在测量封装的结温时具有较高的精度。

SimcenterT3Ster设备提供了非破坏性的热测试方法，其原理为：

1）首先通过改变电子器件的功率输入；

2）通过测试设备TSP（TemperatureSensorParameter热相关参数）测试出电子器件的瞬态温度变化曲线；

3）对温度变化曲线进行数值处理，抽取出结构函数；

4）从结构函数中自动分析出热阻和热容等热属性参数；

关键词：T3ster,Micred,功率循环，结温测试，热阻测试，结温热阻测试，半导体热特性测试；

参考文献：

[1] 杨军伟.半导体器件热阻测量结构函数法优化及数据处理技术研究[D].北京工业大学,2016.

[2] 王超.基于瞬态温升技术多通道系统级热阻测试仪研究与开发[D].北京工业大学,2017.

[3] 张立,汪新刚,崔福利.使用T3Ster对宇航电子元器件内部热特性的测量[J].空间电子技术,2011,8(02):59-64.

[4] 温存,林伟瀚,周明,等.模组内部灯条LED真实热阻模拟测试系统研究与分析[J].电子产品世界,2020,28(12):33-36.

审核编辑 黄宇