一文详解热阻热瞬态测试仪

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最新的结壳热阻（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℃

最小采样时间间隔：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（最后直线向上部分）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各种三极管、二极管等半导体分立器件，包括：常见的半导体闸流管、双极型晶体管、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。

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：第一次测量，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。

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。

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：

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。

责任编辑：tzh