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世界领先的半导体热特性测试解决方案
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世界领先的半导体热特性测试解决方案

一、芯片热特性测试的问题、行业现状与需求

       半导体行业在摩尔定律的驱动下已经取得了几十年的飞速发展,制造工艺的革新不断推进芯片尺寸的小型化和功能的集成化,如复杂的手机处理器芯片已经进入10纳米以下的时代,其体积较二十年前的51系列单片机芯片的尺寸还要小很多,而其功能的全面和强大比上世纪九十年代的个人电脑CPU有过之而无不及。

产品和技术的更新换代也对研发工作提出了严峻的挑战,尽管芯片工艺一直向低电压、低功耗的方向努力,也取得了巨大的成功,但尺寸越来越小、功能越来越多、时钟频率越来越高,导致芯片和电子产品不可避免地要面临发热和散热问题。这一点在追求极致的移动便携式市场的芯片和产品研发终体现的尤为突出。


       对芯片供应商而言,一方面自己要解决自己的芯片和封装的发热与散热问题,同时要为客户的产品设计中解决热问题提供足够的支持与数据。比如客户可能会通过热仿真的手段解决散热问题,就会需要芯片的耗散功率、热阻参数、温度响应曲线、热结构函数等,建模能力差的客户会直接要求用于仿真的热阻模型。随着产品研发周期的不断压缩,热特性数据方面的支持可能会成为客户衡量芯片供应商服务能力和资质的一个重要指标,往往会影响客户对芯片的选型决定。


热阻测试仪——T3Ster产品介绍

      T3Ster用于半导体器件的先进热特性测试,包括各种复杂的IC以及MCM、SIP、SoC等新型结构;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;各种复杂的散热模组的热特性测试,如热管、风扇等 。

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                                                                                  T3Ster主机

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                                                          干式温控仪

                                                   

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          单通道高电流Booster

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                                                      双通道高电流Booster                                                



T3Ster测试示意图

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T3Ster具体测试功能

       -          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;

       -          半导体器件热阻和热容测量,给出器件的热阻热容结构(RC网络结构);

       -          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

       -          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);

       -          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)。

自带数据分析软件(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。

       -          测量参数: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。

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       -          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。

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         -          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。

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        -          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,温度变化的最大值和功率的最大值是不同步的,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。

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         -          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。

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         -          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。

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         -          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。

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                   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。

三、芯片测试流程

       通过T3Ster和FloTHERM的软硬件集成测试与仿真环境,可以帮助芯片公司完善芯片热特性相关的参考数据,为下游厂商提供更多的支持,解决目前棘手的产品散热问题。

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四、行业权威机构的认证

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