什么是T3Ster 

T3Ster ® [发音：tri-ster]  --- the Thermal Transient Tester：热瞬态测试仪，是半导体热特性热测试仪器，可用于测试半导体分立器件及模块的结温、稳态热阻、瞬态热阻，同时可用于测试IC、SoC、SIP、 散热器、热管等的热特性。

• T3Ster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），瞬态采样时间分辨率高达1微秒，测试延迟时间高达1微 秒，结温分辨率高达0.006℃。

•T3Ster既能测试稳态热阻，也能测试瞬态热阻抗，并且能够获得器件的脉冲热阻。

•T3Ster的研发者 MicRed是J EDEC最新的结壳热阻（θｊｃ）测试标准（JESD51-14）的制定者，T3Ster的测试 方法完全符合该标准，可以通过两种方法计算结壳热阻。

• T3Ster的测试方法符合IEC 60747系列标准。
 

• T3Ster的研发者MicRed制定了全球第一个用于测试LED的国际标准JESD51-51，以及LED光热一体化的测 试标准JESD51-52。T3Ster和TeraLED是目前全球唯一满足此标准所规定的光热一体化测试要求的设备。

• T3Ster的测试方法符合MIL-STD-883H method 1012.1和MIL-750E 3100系列的要求。
 

• T3Ster独创的Structure Function(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，是器件封装工艺、可靠性试验、材料热特性以及接触热阻的强 大支持工具。因此被誉为热测试中的“X    射线”。

• T3Ster能与FloTHERM、FloTHERMxt以及FloEFD等热仿真软件协同工作，包括： 1）、将待测器件的RC网络模型直接输出给热仿真软件进行仿真工作； 2）、将待测器件的结构函数直接输出给热仿真软件，利用热仿真软件的自动优化功能对待测器件的详 细热学模型进行校准。

•查看详细介绍请点击此处下载T3Ster.pdf

T3Ster的应用范围及功能  

◆ 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，BJT，MOSFET，IGBT，SiC器 件以及GaN HEMT, GaAs FET等器件。

• 各种复杂的IC以及SIP、SoC等新型结构。

• 接触热阻的测试以及各种复杂的散热模组的散热性能的评估。   

◆ 功能：

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，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）。

组件配置  

◆ 热测试主机   

• 功率输出模块

• 数据采集模块及控制模块

◆ 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(T3Ster Thermostat)

干式温控仪采用热电致冷芯片(Peltier单体)来控制器件的温度。

• Julabo加热制冷循环浴槽(Julabo Refrigerated/Heating Circulator）

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。

 • 液冷夹具(Cold Plate SCP-40/50)

  带手动压紧装置的液冷测试夹具（通过导轨与顶杆的方式压紧待测器件），配合Julabo加热制冷循环 浴槽或冷却水装置使用，为待测器件提供用于结壳 热阻测试的液冷散热环境，尺寸：400*500 mm。

• 气动压紧液冷试验台(SPCP 220/220)

气动压紧液冷试验台（用户需自行配备气源），配合湿式温控仪使用，为待测器件的测试提供结壳热阻测试液冷温控环境，冷板尺寸：220*220mm。

•T3Ster自检查样品（T3Ster Reference Device）

     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（T3Ster Still Air Environment）

1）满足JEDEC JESD 51-2要求

2）尺寸：1立方英尺

•连接T3Ster测试主机和热电偶的适配器 ( T3Ster Thermocouple Preamplifier )

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。

◆ 辅助功率放大器(T3Ster Booster)

 ◆TeraLED

1）完全符合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T3Ster Master提供了数据的分析功能，分析结果包括：测量参数 (Record  Parameters)  ，测量得到的瞬态温度响应曲线 (Measured response) , 结温差随时间变化的曲线 (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),  安全工作区域（SOA），积分结构函数以及微分结构函数等。

（1）测试参数（Record Parameter）

T3Ster可以自动描绘待测器件的K系数曲线，且能够对K系数曲线进行线性拟合以及非线性拟合。

（2）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。

（3）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。

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，采样间隔最快为1us。

• T3Ster硬件的技术优势

A. 先进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），但是静态测试法更先进，更高端，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最初1ms时间内的温度没有被采集到，最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，采样点数最多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。

查看详细介绍请点击此处下载T3Ster.pdf

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） 

JEDEC（国际固态技术协会）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技术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。

 根据JESD   51-14的规定，T3Ster支持分别使用：A、ZθJC曲线的分离点以及B、利用积分结构函数曲线的分离点两种方法来计算器件的结壳热阻。

◆  结构无损检测        

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。

图1	图1为T3Ster测试得到的微分结构函数，图2、3、4为超声显微结果。在这个案例中，工程师将相同的芯片，通 过不同的die attach工艺固定到case上。从微分结构函数可以明显看出，表征芯片部分的曲线完全重合在一起， 表征die attach部分的曲线随着NO VOID，CORNER VOID和CENTRAL VOID的变化而向右移动，说明由于上 述三种变化，die attach部分的热阻越来越大。

◆  失效分析 (BJT器件)

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T3Ster Master 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↑）  

• 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

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 

      • 验证模型

        包括材料热学性能的验证

◆  接触热阻的测量
随着半导体制造技术的不断成熟，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。

◆ 热阻矩阵——利用T3Ster研究多芯片热学性能

通过热阻矩阵，可以方便地研究多芯片的热学性能，不仅考虑某个芯片对于外部环境的自热阻，还考虑芯片之间的耦合热阻。热阻矩阵的元素通过下面的方法获得：

• 在某个芯片处施加功率

• 测量所有芯片处的温度

• 再用1W的功率进行归一化

◆ T3Ster 在功率半导体器件领域的应用

◆  英飞凌利用T3Ster，按照JESD51-14测试其MOSFET器件的结壳热阻

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↑）             

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

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。

 ◆ Lumileds 利用T3Ster 分析其产品的散热结构

◆ LED灯具测量

 

•  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。

 

  

 • 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。

 

 

◆  LED模组的热测量

 

• 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

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。

 ◆  热界面材料（TIM）的测量——DynTIM:

    •  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

DynTIM的技术参数：

•  相对测试精度：5%

•  厚度设置精度：1um

•  内置5A电流源，不需要Booster

•  每种样品测试时间：大约20分钟

•  自动测试压缩性材料的特性

•  可以测试不同环境温度下的材料特性

利用T3Ster结合DyTIM测试热界面材料的推荐配置

实验室同时拥有T3Ser和DynTIM的益处：

•  DynTIM结合T3Ster可以精确地测试材料的导热系数

1）帮助用户选择合适的热界面材料，以降低成本

2）帮助用户在模拟软件中建立更加准确的热学模型，以获得更精确的仿真结果

•  热界面材料在真实环境中的性能会有所不同

1）用户在选择了导热系数合适的材料后，可以使用T3Ster验证该材料在实际应用环境下的真实热性能

2）用户通过T3Ster和DynTIM的完整表征系统，确保做出最佳的选择

热界面材料 不同厚度下引起的温度变化

热界面材料在不同厚度下的热学性能

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 瞬态热测试仪帮助设计和制造高性能 LED 当 LED 灯功耗越来越大，就更应该关注其散热问题， 因为其对 LED 灯的性能和使用寿 命至关重要。这就是为什么OSRAM 一直致力于LED 灯的散热设计。T3Ster的测量精确 性和可重复性可以用于验证OSRAM 的设计以及产品的可靠性。T3Ster内部的结构函数在 OSRAM 进行可靠性测试不同热问题时特别有用。

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