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T3Ste热测试仪的典型应用案例

2013-1-8 15:29:44 9694 测试仪

目录—T3Ster的应用案例
◇ 测量结壳热阻
◇ 封装结构的质量检查
          △ 结构无损检测
         △ 失效分析
◇ 老化试验表征手段
◇ 利用T3Ster研究新型微通道散热结构
◇ 提供器件的热学模型
◇ 仿真模型的验证
◇ 接触热阻的测量
◇ 热界面材料（tiM）的测量 — DynTIM         大功率
◇ T3Ster在功率半导体器件领域的应用
         △ 英飞凌利用T3Ster, 按照JESD51-14测试MOSFET及IGBT的结壳热阻
         △ 三星电子利用T3Ster测试其IGBT模组的热特性
◇ T3Ster在LED领域的应用
         △ Lumileds利用T3Ster分析其产品的散热结构
         △ LED灯具测量
         △ LED模组的热测量
         △ 光热一体化测试结果

T3Ster的应用案例
◆ 测量结壳热阻（junction-to-case thermal resistance）（JEDEC 组织2010年11月公布最新测试标准JESD 51-14）  （返回顶部↑）
JEDEC（国际固态威廉希尔官方网站协会）于2011年11月正式通过并颁布了由T3Ster研
发团队提交的基于热瞬态测试威廉希尔官方网站和结构函数分析法的最新结壳热阻测试标
准。与传统的测试方法相比，最新的热瞬态测试界面法（Transient Dual
Interface）具有更高的准确性和可重复性，而T3Ster是目前唯一满足此标准
的商业化产品。通过这种高重复性的方法，可以方便地比较各种器件的结壳
热阻，而且这种方法同样适用于热界面材料（TIMs）的热特性表征。


第一次测量：直接将器件干接触到热沉上；
第二次测量：在器件和热沉之间放置一个分离层。
由于两次散热路径的改变仅仅发生在器件封装壳
（Case）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。



◆ 封装结构的质量检查（返回顶部↑）

利用结构函数可以非破坏性测量器件中固晶层的热阻这一特点，在实际应用中可以用来实现：
1) 结构无损检测；
2) 封装材料和工艺优化；
3) 器件可靠性筛选

▲ 结构无损检测     （返回顶部↑）

ST Microelectronics公司利用T3Ster瞬态测量的方法成功测量出了固晶层（Die attach）的缺陷，而且测试结果也得到了超声显微图像的验证。
ST将同样的芯片通过三种不同的工艺焊接到金属层上，通过T3Ster的无损检测，成功测试除了三种不同焊接结构的热阻。

通过对比的方法，T3Ster的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。

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die attach完好、边角存在空洞
以及中心存在空洞，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。

▲ 失效分析 （返回顶部↑）

◆ 老化试验表征手段 （返回顶部↑）
通过T3Ster强大的结构函数分析功能，不仅能够分析老化前后总热阻的变化量，还可以得到每层结构的热阻变化，从而为分析老化机理提供数据。

老化方法：
周期性温度变化
湿度条件

试验方法：
利用T3Ster进行热瞬态测试

分析方法：
利用T3SterMaster 分析软件提供的结构函数进行分析

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（delamination），导致了芯片粘结层（Die attach）的热阻增大。

◆ 利用T3Ster研究新型微通道散热结构 （返回顶部↑）（Micro-channel cooler）(返回顶部↑)（返回顶部↑）（返回顶部↑）（返回顶部↑）
改变微通道散热结构中的流体流速
利用T3Ster测试每种流速下的结构函数进行比较分析


T3Ster 测试结果

流量计测试结果
T3Ster 测试结果与热通量感应器所得到的结果是相互吻合的，即微通道结构中流体的流速越大，其散热性能越好。

◆ 提供器件的热学模型 （返回顶部↑）
T3Ster的测试结果可以直接导入到FloTHERM软件进行后期系统散热分析。
◆ 仿真模型的验证 （返回顶部↑）
• 验证模型
包括材料热学性能的验证

◆ 接触热阻的测量 （返回顶部↑）
随着半导体制造威廉希尔官方网站的不断成熟，热界面材料（TIM）的热性能已经成为制约高性能封装产品
的瓶颈。接触热阻的大小与材料、接触质量是息息相关的。
采用T3Ster，可以快速准确地测试各种接触热阻：
◇ 导热胶；
◇ 导热垫片；
◇ 螺钉连接；
◇ 干接触。

• NANOPACK FP7与欧盟（9M EUR）的合作项目：利用T3Ster测量接触热阻和热界面材料

实验设计：在器件和热沉之间放置不同的界面材料，并施以不同的力，用T3Ster测试其接触热阻的大小。
结论：接触热阻的大小不仅与接触材料有关，还与接触的质量有关。接触材料的导热系数越大，接触热阻越小。
接触质量越好，接触热阻越小。

◆ 热界面材料（TIM）的测量——DynTIM: （返回顶部↑）
   DynTIM能够模拟真实的电子散热环境，衡量热界面材料在不同压力的条件下的散热性能，方便封装工程师根据
   实际应用情况选择合适的热界面材料。
   DynTIM能够测试热界面材料的导热系数。（可测试材料包括：导热硅脂，黏合剂，间隙填充材料，导热垫以及
   部分刚性材料）。
   DynTIM可以自动设置材料的压紧厚度，提高测试精度。
   DynTIM可以进行材料的老化研究。

DynTIM

热界面材料在不同厚度下引起的温度变化

热界面材料在不同厚度下引起的温度变化


某材料的导热系数测试结果
通过改变热界面材料的厚度，可以有效地屏蔽接触热阻对测试结果的影响。

◆T3Ster 在功率半导体器件领域的应用 （返回顶部↑）
▲ 英飞凌利用T3Ster，按照JESD51-14测试其MOSFET器件的结壳热阻 （返回顶部↑）

产品型号：SPP80N06S2L-11 TO封装
测试结果：

       器件在两种不同的散热环境下结温随着时间的变化曲线

                        器件在两种不同的散热环境下的微分结构函数
  英英
英飞凌是T3Ster 的战略合作伙伴，共同制定了全新的结壳热阻测试标准JESD51-14。通过T3Ster，不仅可以测试器件的结壳热阻，
还可以通过结构函数分析器件热传导路径上各层结构的热阻值。


▲ 三星电子利用T3Ster测试其IGBT模组的热特性（返回顶部↑）（返回顶部↑）（返回顶部↑）


1) 测试装置：



2）测试结果：

IGBT 模组在两种散热环境下的结温变化曲线

通过结构函数分析IGBT的热传导路径

IGBT模组作为超大功率半导体器件，T3Ster为其提供了完整的测试方案，包括双层散热液冷板、大功率的Booster等。


◆T3Ster在LED领域的应用 （返回顶部↑）
伴随着LED的功率越来越大，合理有效的热管理也变得越来越重要。因为LED的结温直接影响其光学性能和寿命。
  ◇ 如图所示，对于LED产品来说，如果不考虑光功率的影响，其热阻值RthJA会随着环境温度和驱动电流的不同变化而不同，这显然是不符合物理实际的。
  ◇ 因此，对于LED的热阻定义，必须考虑其光输出的影响。

                                                         Rthr = T / Pheat
                                                         = T / (Pel - Popt)

因此T3Ster专门为LED产业开发了实现LED光热一体化测量的TERALED：ThErmal and RAdiometric Measurement
of power LEDs。

Teraled 与T3Ster 能够实现JESD 51-52 规定的光热一体化测试要求

  ▲ Lumileds 利用T3Ster 分析其产品的散热结构 （返回顶部↑）
利用T3Ster提供的结构函数分析功能，可以得到：
a、LED在该环境下的总热阻；
b、LED内部各层结构的热阻（包括热界面材料的接触热阻）。

▲LED灯具测量 （返回顶部↑）

• 研究对象： LED灯具选择两种不同材质的转接头的散热性能比较，其中一个是采用金属材料的转接头，另一个是采用塑料材质的转接头。

            灯具一：金属转接头                   灯具二：塑料转接头

• 研究方法：
将LED灯具放置到JEDEC规定的一立方英尺的标准静止空气箱中，有利用T3Ster进行热瞬态测试。

• 结果分析：
利用T3Ster进行结果分析：

a. 得到两种散热条件下该LED灯具到周围环境的热阻Rja；
b. 通过结构函数可以清晰地看到由于散热器引起的热阻的差异；
c. 同一种结构的测量重复性非常好。

本案例表明，采用不同材质的转接头对灯具散热效果影响很小，批量制造可以选择价格便宜的塑料材质作为转接头。
   ▲ LED模组的热测量 （返回顶部↑）

• 研究对象：由八十个LED组成的LED模组，十个串联为一组，共八组。

• 研究方法：利用T3Ster配置的选配件T3Ster Booster来驱动该LED模组。

加热状态：35V @ 2A加热电流                                  测量状态：35V @ 350mA测量电流

• 测试结果：

  ▲光热一体化测试结果 （返回顶部↑）
通过T3Ster 与TeraLED 的光热一体化测试，可以帮助用户分析LED的各项光电色参数与驱动电流、结温等的关系，包括
二极管的伏安特性；
• 光功率（mW)；
• 光通量（lm）（包括明视觉光通量和暗视觉光通量）；
• 流明效率（lm/W）；
• 色坐标（X、Y、Z三刺激值）
• 色温。