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金鉴实验室提供热瞬态测试仪(T3ster)测试LED热阻的服务 发布时间:2017-08-24

一.T3ster及其特点

金鉴实验室热瞬态测试仪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。  


金鉴实验室热阻测试设备相关技术参数:

1.电流范围:0 ~ 200mA,线性输出;

2.器件电压:0 ~ 150V;

3.电流准确度:0.55%;

4.Gate控制电压:0 ~ 10V(线性可调)

5.电压范围:0~10V,线性输出;

6.电压准确度:0.05%

7.加热状态到测试状态切换时间:1us;

8.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;

9.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;

10.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);动态测试方法(脉冲加热,单点测试);

11.电压信号采样速率:1us/次;

12.温度采样精度:0.006℃(电压分辨率12uV模式下)

13.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;

14.通过分析软件可得到内部结构函数,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。


金鉴实验室测试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 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。  

 

.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  

金鉴实验室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)。


四.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

LED封装侧面结构(热散热路径)



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。


LED热阻微分结构函数积分结构函数


2.利用结构函数识别器件封装内部的“缺陷”:

LED固晶层缺陷图片对比


金鉴实验室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。


LED固晶层缺陷热阻数据


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:

金鉴实验室的两次测试的分别: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。如下图所示的曲线变化,可得出器件的精确热阻。


LED精准热阻测试


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。


固晶层两种缺陷图


金鉴实验室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。


LED固晶层缺陷热阻图


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。

LED热阻老化热阻波峰移动图

老化前后,金鉴实验室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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