T3STER SI 解锁大功率IC和GaN器件热阻测试新方案，实现精确热表征

AI加速器、大功率GPU和低导通电阻的GaN器件快速发展，对传统热特性表征方法提出了新的挑战。西门子全新推出搭配Simcenter T3STER SI使用的大功率测试电流发生器（current generator），为大功率IC和GaN热表征提供所需的测试电流。上海坤道信息技术有限公司是西门子工业软件金牌及专家级代理商，提供产品销售、测试工装夹具定制与全流程的技术咨询与支持。本文将带您了解大功率IC和GaN器件热阻测试新方案。

算力不断提升，热测量面临更大挑战

人工智能正在推动GPU和专用加速芯片向更高性能发展。与此同时，GaN器件凭借更高的开关速度、更高的效率和更紧凑的电能转换系统，展现出广阔的应用前景。

尽管这些技术面向不同的市场，但它们面临着相似的测试挑战：在器件对供电和测试条件提出更高要求的情况下，如何准确提取热信号。

大功率 GPU 和 AI 加速器具有较大的芯片面积，对供电能力提出了较高要求。低沟道电阻的GaN器件则面临另一类挑战，用于温度测试的电压变化可能非常微小。这两类应用都要求测试系统提供足够的电流，以产生可测量的信号，同时不影响测量的保真度。

这一点至关重要，因为结温以及封装内部的热流路径会直接影响器件的热性能和可靠性。结壳热阻、结到环境热阻和结到电路板热阻等标准热学指标，有助于描述器件的热性能；而详细的瞬态测量数据，则能够帮助工程师比较不同设计方案、评估材料选择，并进一步优化仿真模型。

半导体器件的发展，热测试方法需要同步升级

GaN 并不只是替代硅的新材料，其器件结构和电学特性也与传统硅器件存在差异。

GaN 的禁带宽度约为 3.4 eV，而硅约为 1.1 eV。这些材料特性使 GaN 器件能够适应高温、高电压和高电流密度的工作条件。与此同时，GaN HEMT结构能够实现更高的开关速度和更低的沟道电阻。

这些优势促进了GaN在电源、数据中心电能转换、电动出行、可再生能源以及紧凑型消费电子等领域的应用。更快的开关速度、更小的体积和更高的效率，是GaN技术的核心优势。

然而，正是这些使GaN器件具备竞争力的特性，增加了热瞬态测试的难度。

在传统硅MOSFET的测量中，寄生体二极管可作为温度敏感参数（TSP），而GaN HEMT并不具备相同的寄生体二极管。此外，传统GaN HEMT也可能采用常开特性（Normally-on）结构，因此必须根据器件的具体结构调整测试方法。

一种可行的方法是将导通状态下的沟道电阻RDS(on)同时用作加热参数和温度敏感参数。由于沟道始终存在，这种方法可应用于不同类型的HEMT器件。

然而，新的GaN器件沟道电阻非常低，需要更大的测试电流才能产生可检测的电压降。此外，外部连接线的电阻以及电荷俘获效应，也会增加测量结果的分析难度。

因此，挑战不仅在于产生更大的电流，更在于提供足够的电流以获取有效的热信号，同时保持测量所需的精度和保真度，从而实现有效的热特性表征。

经过验证的热瞬态测试平台，能力进一步扩展

Simcenter Micred T3STER SI采用基于电学法的热瞬态测试技术，对封装半导体器件的热特性进行表征。施加阶跃功率后，系统会采集器件的冷却响应，并据此计算热阻抗曲线和结构函数。这些结果能够反映热流路径上的热阻和热容分布。

全新的大功率测试电流发生器在此测量架构的基础上进行了扩展，主要面向两类具有较高测试要求的应用：

• 大尺寸、高功率IC的热特性表征，包括AI加速芯片和高性能GPU。
• 低RDS(on) GaN器件的高保真度沟道电阻测量。

该模块能够提供更大的电流，为这些器件供电，并达到热特性表征所需的测量分辨率。从而使得Simcenter Micred T3STER SI平台能够覆盖更多应用场景，完成传统低电流配置难以应对的测试任务。

T3STER SI整体架构采用模块化、可配置的设计。测试系统可根据需要配置加热电流源、测试电流源、栅极电压源、测量通道和外部booster模块。此外，系统还提供基于浏览器的软件，用于系统配置、校准和测量执行。

这种模块化设计十分重要，因为不同半导体器件的测试要求存在显著差异。工程师可以根据器件本身特点、电学特性以及预期采用的热测量方法配置系统，而不必将所有器件都限制在同一种固定测试方案中。

精确的热瞬态测试，为工程决策提供支撑

准确的热瞬态测试提供的不仅仅是一个温度数值。Simcenter Micred T3STER SI能够生成符合国际标准的热学指标和结构函数，直观描述热量从半导体的结穿过封装传递到冷却环境的热流路径。

比较不同器件与封装方案：高重复性的测量结果使工程师能够在统一的热学参考条件下，对不同材料、封装结构、界面以及其他设计方案进行比较。不同方案的结构函数差异，有助于识别热流路径发生变化的位置。

了解器件内部的热行为：结构函数分析将瞬态响应转换为沿热流路径分布的热阻和热容参数，为工程师获取表面温度测量所无法提供信息，并帮助识别封装内部的薄弱环节或结构变化。

校准热仿真模型：热测量数据和紧凑型RC模型可以导出到 Simcenter Flotherm 和 FloEFD。利用实测结果校准详细的三维热仿真模型，有助于提高仿真结果与实际器件热行为的一致性。

适配不同结构的 GaN 器件：并没有哪种热测试方法对所有GaN HEMT都是最优的。根据栅极结构、漏电流、沟道电阻和封装配置的不同，工程师可以选择沟道电阻、栅极正向电压、栅极漏电流或基于Cascode的测量方法。

可配置的硬件、灵活的测量方案和详细的后处理功能相结合，有助于工程师选择与具体器件相匹配的测量方法，而不是直接沿用传统硅器件测试中的既有假设。

充分验证驱动新一代电子技术发展的半导体器件

AI计算和GaN电力电子技术正在推动着半导体系统朝更紧凑、更高性能的方向发展。要充分发挥这些技术的潜力，就需要深入了解热量在器件及其封装内部的产生、传递与耗散过程。

全新的大功率测试电流发生器将热瞬态测试扩展至大功率IC和低沟道电阻GaN器件。它能够提供高保真度测量所需的电流，同时延续 Simcenter Micred T3STER SI平台在可扩展性、灵活配置和系统集成方面的优势，帮助工程师获取可靠的热测量数据，从而评估不同设计方案、理解新型半导体结构，并校准具有预测能力的热仿真模型。

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上海坤道信息技术有限公司成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌和专家级（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD、Flotherm Flexx、Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、硬件定制开发和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。

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