T3Ster熱阻測試儀

產品名稱:

T3Ster熱阻測試儀
  • 產品簡介

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1.產品綜述


T3Ster?[發音:tri-ster] ---the?Thermal?Transient?Tester:熱瞬態測試儀,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。


  • 關鍵特性


T3Ster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℃。


T3Ster既能測試穩態熱阻,也能測試瞬態熱阻抗。


  • 標準符合性


T3Ster的研發者MicRed是JEDEC最新的結殼熱阻(θjc)測試標準(JESD51-14)的制定者,T3Ster是目前全球唯一滿足此標準的儀器。T3Ster的測試方法符合IEC60747系列標準。


?T3Ster的研發者MicRed制定了全球第一個用于測試LED的國際標準JESD51-51,以及LED光熱一體化的測試標準JESD51-52。T3Ster和TeraLED是目前全球唯一滿足此標準所規定的光熱一體化測試要求的。


T3Ster的測試方法符合MIL-STD-883H method 1012.1和MIL-750E3100系列的要求。


  • 技術優勢


T3Ster獨創的Structure Function(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,是器件封裝工藝、可靠性試驗、材料熱特性以及接觸熱阻的強大支持工具。因此被譽為熱測試中的“X射線”。


T3Ster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。

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2.應用概述


  • 功能應用

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??半導體器件結溫測量

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)

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??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

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??半導體器件老化試驗分析


??封裝缺陷診斷

幫助用戶準確定位封裝內部的缺陷結構

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??材料熱特性測量

導熱系數和比熱容

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??接觸熱阻測量

包括導熱膠、新型熱接觸材料(TIM)的導熱性能測試

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T3ster基本功能應用


3.1熱測量方法


  • 電測法測量

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測量方法特點:

  • 非破壞性測試

  • ? 精度最高

  • ? 重復性最好

  • 結構函數可分析散熱系統內部結構


3.2JEDEC標準


  • JEDEC組織概述


JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)是制定半導體器件國際化標準的組織。JEDEC設立于1958年,1996年從美國電子工業協會EIA組織中獨立出來。JESD51是一系列半導體器件熱學測試規范。


  • 半導體測試標準

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  • 電壓法測結溫與瞬態熱測試



  • JESD-51-1:

Integrated?Circuits?Thermal?Measurement?Method?Electrical?Test?Method?(SingleSemiconductorDevice)

  • JESD-51-14:

Transient?Dual?Interface?Test?Method?for?the?Measurement?of?the?Thermal?Resistance?Junctionto?Case?of?Semiconduct?or?Device?swith?Heat?Flow?Trough?a?Single?Path


  • 瞬態熱測試

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3.3電壓法結溫測試


  • 測量原理


p-n結電流-電壓特性方程:

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因此,可以用p-n結恒定電流下的正向電壓值來指示溫度變化。

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恒溫槽80℃溫度系數(K-Factor)(mV/℃)

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?????? ? ? ? ? ?? 實際環境中Vf測定 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? 實際環境的溫度,也就是結溫


  • 測量方法?

1)?使用測試小電流取得被測半導體器件溫度系數(mV/℃,得到正向電壓隨溫度變化的關系)

2)?使用大電流進行加熱

3)?當達到熱平衡狀態時,切換成小電流測量(切換時間小于1μs)

4)?當切換到測試電流后,被測半導體器件的正向電壓被測量并記錄下來,直到和環境溫度達到新的熱平衡狀態。被記錄下來的正向電壓數值通過被測半導體器件的溫度系數(mV/℃)被轉換成為相應的溫度隨時間變化的關系。

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一.?結構函數及應用


4.1結構函數由來

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4.2結構函數意義

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熱阻網絡模型及內部構造可視化


4.3結構函數應用


  • 基于分離法的θjc的測定(JEDEC51-14)

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  • 封裝內部熱故障解析

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  • 芯片安裝熱故障解析

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  • 系統熱評價

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  • 器件封裝熱模型導出

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  • 器件老化分析應用

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DieAttach熱阻增大=>層間剝離

系統老化加速:

—溫度變化

—濕度變化

  • 瞬態熱阻測試

  • 結構函數解析


  • 功率半導體熱界面材料選型

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  • IC熱界面材料選型

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  • 界面材料工藝參數確定

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二.?T3Ster產品構成


5.1測試主機

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  • 唯一符合JEDEC51-14標準

  • 創新實現JEDEC51-1靜態測試

  • 高達1us的采樣率,64K的采樣存儲空間

  • 1us高速電源切換

  • 最小電壓分辨率12uV

  • 結構函數用于分析內部構造


  • 主機性能參數

計算機控制接口

USB接口,滿足數據傳輸提取方便的要求

測試時間

以分鐘為單位計

結溫測試分辨率

0.01℃

最大加熱時間

不限

最小測試延遲時間

1μs(用戶可根據需要在軟件中調節1μs-10000s不限)

RC網絡模型級數

2-100個


  • 功率輸出模塊

加熱電流源

[-2A,2A]

加熱電壓源

[-10V,10V]

測試電流源(4路)

[-25mA,25mA]


  • 數據采集模塊及控制模塊

最小測試延遲時間

1μs

最小采樣時間間隔

1μs

每倍頻采樣點數

400個(典型值)

最大采樣點數

65000個

測量通道

2個(最大可擴展至8個)

電壓變化測量檔位

400mv/200mv/100mv/50mv

電壓測量分辨率

12μV(以50mV量程計算)


5.2大功率BOOSTER


  • 高電流模式

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單通道高電流booster??????????????????????雙通道高電流booster


高電流模式

38A/40V

50A/30V

200A/7V【2】

注解:

【1】通過雙通道并聯,輸出電流最高可達100A

【2】通過三通道并聯,輸出電流最高可達600A


  • 高電壓模式

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單通道高電壓booster????????????????????????????? 雙通道高電壓booster

高電壓模式


10A/150V

10A/280V


5.2數據分析軟件


數據分析軟件T3SterMaster提供了數據的分析功能,幾秒鐘內,軟件就可以將采集的數據以結構函數的形式表現出來。

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測試結果包括:

1)?測量參數(Record?Parameters)

2)?測量得到的瞬態溫度響應曲線(Measured?response)

3)?分析后的瞬態溫度響應曲線(Smoothed?response)

4)?熱阻抗曲線(Zth)

5)?時間常數譜(Tau?Intensity)

6)?頻域分析(Complex?Locus)

7)?脈沖熱阻(PulseThermal?Resistance)

8)?積分結構函數以及微分結構函數。?


三.?T3ster產品應用


6.1?測量結殼熱阻


JEDEC(國際固態技術協會)于2010年11月正式通過并頒布了由T3Ster研發團隊提交的基于熱瞬態測試技術和結構函數分析法的最新結殼熱阻測試標準。與傳統的測試方法相比,最新的熱瞬態測試界面法(Transient?Dual?Interface)。


具有更高的準確性和可重復性,而T3Ster是目前唯一滿足此標準的商業化產品。通過這種高重復性的方法,可以方便地比較各種器件的結殼熱阻,而且這種方法同樣適用于熱界面材料(TIMs)的熱特性表征。

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6.2 封裝質量檢查


利用T3Ster可以非破壞性測量器件熱流傳導路徑上的結構熱阻這一特點,在實際應用中可以用來實現:

  • 結構無損檢測

  • 封裝材料和工藝優化

  • 器件可靠性篩選

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1)?結構無損檢測

ST Micro electronics公司利用T3Ster瞬態測量的方法成功測量出了固晶層(Die attach)的缺陷,而且測試結果也得到了超聲顯微圖像的驗證。ST將同樣的芯片通過三種不同的工藝焊接到金屬層上,通過T3Ster的無損檢測,成功測試除了三種不同焊接結構的熱阻。?


通過對比的方法,T3Ster的測試結果不僅可以定性地找出存在缺陷的結構,而且還能定量的得到缺陷引起的熱阻的變化量。

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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die?attach完好、邊角存在空洞以及中心存在空洞,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。

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2)失效分析(BJT器件)

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1.?測試樣品:焊接到銅基板上的三極管

2.?存在問題:固晶層存在缺陷以及焊接工藝不足

3.?分析方法:利用T3Ster進行熱瞬態測試,分析其結構函數

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一個完好結構的結構函數

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4.?分析結論:

  • 封裝層峰值的右移表示封裝內部固晶層(die?attach)存在分層,導致了熱阻的增大。

  • 銅基板的右移表示封裝外部焊接層的不充分導致了整體熱阻的增大。


6.3 老化特性表征


通過T3Ster強大的結構函數分析功能,不僅能夠分析老化前后總熱阻的變化量,還可以得到每層結構的熱阻變化,從而為分析老化機理提供數據。


  • 老化方法:周期性溫度變化、濕度變化

  • 試驗方法:利用T3Ster進行熱瞬態測試

  • 分析方法:利用T3Ster?Master分析軟件提供的結構函數進行分析

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  • 分析結論:從芯片后的波峰的移動可以清晰地看出由于老化造成的分層(delamination),導致了芯片粘結層(Die?attach)的熱阻增大。


6.4 熱封裝模型輸出?


T3Ster的測試結果可以直接導入到FloTHERM軟件進行后期系統散熱分析

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6.5 熱仿真模型校驗

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6.6 接觸熱阻測量


隨著半導體制造技術的不斷成熟,熱界面材料(TIM)的熱性能已經成為制約高性能封裝產品的瓶頸。接觸熱阻的大小與材料、接觸質量是息息相關的。

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  • 導熱膠

  • 導熱墊片

  • 螺釘聯接

  • 干接觸


6.7 IC熱測試


  • CMOS物理構造

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  • CMOS器件熱測量

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6.8?IGBT熱測試

  • 測試內容

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  • 產品實物圖


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1.?K-factor結果


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  • 瞬態熱測試


1.?瞬態熱測試結果

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2.?結構函數


T3Ster-Master軟件將瞬態熱測試結果通過數學手段轉換成結構函數,幫助分析散熱結構。

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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,可以區分出代表不同材料的段。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。

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得益于T3Ster非常高速的電流切換能力,瞬態熱的測量可以從微妙級開始,使分析Package內部的散熱結構成為可能。同時基于T3Ster的高速連續采樣能力,提供工業級最高精度的結構函數。


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