杭州华盼科技有限公司
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简要描述：*的半导体热特性测试仪
T3Ster是MicReD研发制造的*的热测试仪，用于测试IC、LED、散热器、热管等电子器件的热特性。T3Ster基于*的JEDEC ‘Static Method’测试方法（JESD51-1），通过改变电子器件的输入功率，使得器件产生温度变化，在变化过程中，T3Ster测试出芯片的瞬态温度响应曲线，仅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。T3Ster测试技术不是基于“脉冲方法”的热测试仪，“脉冲方法”由于是基于延时测量的技术所以其测出的温度瞬态测试曲线精度不高，而T3Ster 采用的是“运行中”的实时测量的方法，结合其精密的硬件可以快速精确扑捉到高信噪比的温度瞬态曲线。
T3Ster运用*的JEDEC稳态实时测试方法（JESD51-1），专业测试各类IC（包括二极管、三极管、MOSFET、SOC、MEMS等）、LED、散热器、热管、PCB及导热材料等的热阻、热容及导热系数、接触热阻等热特性。配合专为LED产业开发的选配件TERALED可以实现LED器件和组件的光热一体化测量。
符合JEDEC JESD51-1和MIL-STD-750E标准法规。
T3Ster热阻测试仪工作原理
T3Ster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TSP (Temperature Sensitive Parameter热敏参数)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。
◆ 应用范围:
• 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；
• 各种复杂的IC以及MCM、SIP、SoC等新型结构 ；
• 各种复杂的散热模组的热特性测试，如热管、风扇等。
◆ 功能：
• 半导体器件结温测量；
• 半导体器件稳态热阻及瞬态热阻抗测量；
• 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；
• 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。
• 材料热特性测量（导热系数和比热容）
• 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
◆ 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。
◆ 测试技术：热瞬态测试
• 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，我们的仪器将会记录结温在这个过程中瞬态变化曲线。
• 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。
• 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）。
组件配置
◆ 热测试主机
| 计算机控制接口 | USB接口，满足数据传输提取方便的要求 |
| 测试时间 | 以分钟为单位计 |
| 结温测试分辨率 | 0.01℃ |
| 较大加热时间 | 不限 |
| 较小测试延迟时间 | 1us(用户可根据需要在软件中调节1us~10000s不限) |
| RC网络模型级数 | 2-100个 |
• 功率输出模块
| 加热电流源 | -2A~2A |
| 加热电压源 | -10V~10V |
| 测试电流源（4路） | -25mA~25mA |
• 数据采集模块及控制模块
| 较小测试延迟时间（tMD） | 1µs | 较小采样时间间隔（ts） | 1µs |
| 每倍频采样点数 | 400个（典型值） | 较大采样点数 | 65000个 |
| 测量通道 | 2个（较大可扩展至8个） | ||
| 电压变化测量档位 | 400mv/200mv/100mv/50mv | ||
| 电压测量分辨率 | 12μV（以50mV量程计算） | ||
◆ 温度控制设备
T3Ster为客户提供了三种温度可控的恒温设备，包括：干式温控仪、湿式温控仪以及液冷板。这三种恒温设备除了能控制待测器件的温度以测试器件的K系数，同时还能作为结温热阻测试时器件的散热环境，帮助控制器件的壳温。
• 干式温控仪
干式温控仪采用热电致冷芯片(Peltier单体)来控制器件的温度。
| 计算机控制接口 | COM | 恒温槽尺寸 | 52*52*10 mm3 |
| 温度控制范围 | 5 - 90 oC | 温度控制精度 | ± 0.2 oC |
| 温度过载保护 | 95 oC | 散热功率 | 8W |
• 湿式温控仪
湿式温控仪采用油浴的方式来控制待测器件的温度，使用时将待测器件浸没在液体中以获得恒温环境。此外T3Ster提供的湿式温控仪还可以作为一个动力泵，驱动外接的液冷板以控制液冷板的温度。
| 型号 | 温度范围（℃） | 温度稳定性（℃） | 加热功率（KW） | 制冷功率 20℃（KW） | 油槽尺寸 （W×L/D cm） |
| F25-HE | -28~200 | ±0.01 | 2 | 0.26 | 12×14/14 |
| F32-HE | -35~200 | ±0.01 | 2 | 0.45 | 18×12/15 |
| F34-HE | -30~150 | ±0.01 | 2 | 0.45 | 24×30/15 |
• 液冷板
液冷板的作用：与湿式温控仪配套使用，可以控制冷板的温度，为测试器件的结温、热阻提供恒定的温度环境。
（1）外观尺寸：550*160*110 mm；
（2）单板尺寸：540*140*20 mm；
（3）材质：硬级铝；
• T3Ster液冷夹具
(1) 和T3Ster湿式温控仪配套使用，利用液冷的方式来控制待测器件的壳温，并配以气动压紧装置。
(2) 散热冷板材质：铜。
(3) 有效散热面积：210mm*210mm
(4) 配备平底器件以及TO封装器件（包括TO-3）的测试夹具。
◆ T3Ster-Gold ref/热测试仪校正样品（Golden Reference）
性能稳定的半导体器件，方便用户定期检测测试主机的功能是否正常。
标准静止空气箱（still-air chamber）
1）满足JEDEC JESD 51-2要求
2）尺寸：1立方英尺
热电偶前置放大器
1）方便T3Ster主机与J, K或 T 型热电偶的联接。
2）T3Ster主机可以方便地测试热电偶接触点的温度随着时间变化的曲线。
◆ 大功率BOOSTER
| 高电流模式 | ||
| 单通道 | ||
| 38A/40V | 50A/30V | 200A/7V |
| 测试电流：0~200mA | 测试电流：0~200mA | 测试电流：0~500mA |
| 栅极电压源：15V | ||
| 双通道 | ||
| 38A/40V | 50A/30V [1] |
|
| 三通道 | ||
|
|
| 200A/7V [2] |
【2】通过三通道并联，输出电流较高可达600A
 |  |
| 单通道高电流booster | 双通道高电流booster |
| 高电压模式 | ||
| 单通道 | ||
| 10A/100V | 10A/150V | 10A/280V |
| 测试电流：0~200mA | 测试电流：0~200mA | 测试电流：0~200mA |
| 双通道 | ||
|
| 10A/150V | 10A/280V |
单通道高电压booster 双通道高电压booster
◆TeraLED
1）符合CIE 127-2007关于LED光测试的要求。
2）配合T3Ster可以满足JESD 51-52规定的LED光热一体化测试的要求。
3）整套系统包括：Φ300mm或Φ500mm积分球1个，参考LED1个，多功能光度探头1个，TERALED控制系统1套，恒温基座1个。
4）测试功能：
（1）测试LED基于热功率的真实热阻；
（2）测试不同的电流与结温下的
a）、二极管的伏安特性；
b）、光功率（mW）；
c）、光通量（lm）（包括明视觉光通量和暗视觉光通量）；
d）、流明效率（lm/W）；
e）、色坐标（X,Y,Z三刺激值）；
f）、色温。
◆ 数据分析软件(T3Ster Master)
数据分析软件T3SterMaster提供了数据的分析功能，几秒钟内，软件就可以将采集的数据以结构函数的形式表现出来。测试结果包括：测量参数（Record Parameters），测量得到的瞬态温度响应曲线（Measured response），分析后的瞬态温度响应曲线（Smoothed response），热阻抗曲线（Zth），时间常数谱（Tau Intensity），频域分析（Complex Locus），脉冲热阻（Pulse Thermal Resistance），积分结构函数以及微分结构函数。
（1）测试参数（Record Parameter）
详细记录了每次测试的测试参数，包括加热功率，待测器件的k系数，测试时间以及测试通道等。
（2）瞬态温度响应曲线
横坐标为时间，纵坐标为结温的改变，详细记录了结温随着时间瞬态变化的曲线。从该图可以得到待测器件在达到热稳定状态时结温的变化量。
（3）热阻抗曲线
将瞬态温度响应曲线对加热功率进行归一化即可得到热阻抗曲线。横坐标为时间，纵坐标为热阻抗。可以从图中读出某一时刻的热阻抗以及达到热稳定状态后的总热阻。
（4）频域响应（Complex Locus）
图中横坐标为实部，表示幅值的改变，纵坐标为虚部，表示相位的变化。如图所示，在不同的频率下，其热阻值和相位延迟是不同的。
该特性主要用于高频器件的设计优化过程，可研究器件在各种不同频率情况下的热性能。当输入的功率信号为Asin(ωt+Ф)时，器件结温的升高不仅受幅值A的影响，还和输入功率的频率ω有关。由于热容的存在，温度变化的较大值和功率的较大值是不同步的，他们之间会存在一个相位延迟△Ф。而且同一个功率值在高频工况下对器件造成的温升比低频工况下造成的温升低，这是由于在高频条件下，热量被更多地储存在芯片附近的热容层，并没有往外耗散。因此频域分析对于高频器件的设计优化非常有用。
（5）脉冲热阻（Pulse Thermal Resistance）
该功能描述的是器件工作在脉冲方波情况下的热学特性。横坐标是脉冲宽度（s），纵坐标是脉冲热阻值（℃/W）。器件工作在脉冲方波情况下，其热阻值与脉冲宽度和占空比有关。
（6）积分结构函数与微分结构函数
通过积分结构函数和微分结构函数可以分析热传导路径上每层结构的热阻以及热容信息，构建器件等效热学模型，作为器件封装工艺、可靠性试验、材料热特性以及接触热阻的强大支持工具。
（7）RC网络模型
用户可根据实际需求在分析软件中选择RC模型的级数或者选择软件默认的全部RC模型级数，RC模型级数：2-100个，并将分析得到的RC数值保存在测试文件中。
软件会给出根据RC模型得到的瞬态热阻抗曲线与实测瞬态热阻抗曲线的对比。
T3Ster的工作原理（硬件实时采集+结构函数分析）
◆ 测试K系数：建立结温与电压之间的关系
在器件本身的自发热（self-heating）可以忽略的情况下，将器件置于温度可控的恒温环境中，改变环境温度，测量TSP。得到一条校准曲线。该直线的斜率即为k系数。
在接下来的过程中，测量得到的电压变化值乘以k值即为结温变化量。
◆ 热测试
• 常规测试步骤
1. 通入工作电流，使结温升高达到饱和。
2、进行工作电流到测量电流的高速切换。（1us）
3、在结温下降过程中，实时采样pn结电压，再通过K系数得到pn结点的降温曲线，采样间隔较快为1us。
• T3Ster硬件的技术优势
A. *的静态实时测试方法
T3Ster兼具JESD51-1规定的的静态测试法（static mode）和动态测试法（dynamic mode），但是静态测试法更*，更，因此我们推荐用户采用静态测试法。静态测试法可以实时地采集待测器件的结温随着时间的变化，而动态测试法是通过人为构建脉冲加热功率来模拟瞬态过程，并非器件实际的瞬态温度响应。静态法的测试时间短、测试数据点密而且测试数据的信噪比更高。
B. 测试启动时间高达1us，保证了测试结果的准确性
研究表明，在测试中如果瞬态变化较初1ms时间内的温度没有被采集到，较终的热阻值将被低估10%-15%左右。
C、实时采样时间间隔高达1us，采样点数较多65000点，保证了数据的完备性
• 结构函数
硬件采集完毕后，通过数据分析软件，帮助用户得到可以直接分析器件内部结构的结构函数。
结构函数：将器件封装结构可视化的函数。方便用户进行热传导路径上各种结构的分层、进行结构分析。
1）如何利用结构函数识别器件的结构
2) 利用结构函数识别器件封装内部的“缺陷”
当器件某个结构或接触发生变化时，我们可以通过对比试验清晰地看到
利用结构函数可以帮助用户识别器件内部的缺陷，并能定量得到该缺陷引起的热阻变化。
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