芯片热阻测量方法

芯片热阻测量

IC 封装的热阻（Rjc, Rja），对于任何热设计工程师，封装设计及硬件工程师来说，都是非常耳熟的名词，都期望能在规格书中找到齐全的热阻参数，并且能够精准。可现实中常难于如愿，热阻参数除了不齐全外，有的还不一定准确，这困扰着不少工程师。

关于热阻提取，兴森研究院散热公益顾问咨询专家刘（水灵）工提出了自己的见解：当前要准确测量芯片的热阻并非易事，或许也是众多芯片厂家埋在心中的一个结。目前热阻提取方法大概有三：

1 通过热仿真提取

2 根据Jedec标准测量

3 通过瞬态热测试仪T3ster

下面我们看看通过T3ster 测试仪来检测芯片内部结构的热阻的方法是否更为理想。我们也期待有更多的业界同仁参与探讨。

首先还是让我们了解下这个号称热测试中的“X射线” 神器-T3ster，一起揭开它的面纱。

一、T3ster简介

T3ster是目前唯一满足半导体热阻模型测试标准的测试仪器；其开发者也是JESD51-14（半导体结壳热阻Ɵjc）测试方法制定者，可算是半导体热阻测试的领导者。其独创的结构函数分析法，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），构建热学模型，是封装工艺，可靠性试验，材料特性以及接触热阻的强大支持工具，被誉为热测试中的“X射线”；适应于IC，SOC，SIP，散热器，热管等热特性测量分析。

T3ster在电子产品中的应用

①验证IC芯片散热特性

－通过测试芯片die到封装的热阻，判断芯片封装散热特性好坏。

②非破坏性测试验证：

－芯片厂家没提供热阻参数或者提供的热阻值与产品应用环境不一致

－T3ster不破坏芯片结构，通过静态热阻测量方法，测试芯片的热阻

-可进行老化实验分析、失效实验分析

③T3ster的测试结果直接导入到Flotherm软件进行后期系统散热分析

④接触热阻的大小与材料、接触质量关系密切

－芯片或散热器的接触热阻有：导热胶、导热垫片、螺钉联接、干接触壳体等

－通过T3ster快速测试各种材料的接触热阻，验证不同工艺的散热效果。

⑤材料热学性能的验证

二、热阻检测案例

测试目的

对3个同一批次芯片样品进行热瞬态测试，通过结构函数对芯片结构层热特性进行对比分析。

测试计划

样品数量: 3pcs（#1，#2，#3）

器件类型: To220

测试设备: Mentor T3ster

测试地点: 兴森科技&贝思科尔联合实验室

测试工程师：John Liu

测试流程

测试环境搭建

说明：3个样品分别放入T3ster恒温槽里面，用同一导热垫接触，

导热垫参数：厚1mm，K=5.5w/m-k

测试方法：one by one ；

对#1号样品增加一组导热硅脂的测试，如下图所示：

K系数测量

K系数是什么？

是建立结温与电压之间的关系。

在器件本身的自发热可以忽略的情况下，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。该直线斜率即为K系数。

瞬态温度响应曲线

软件后处理

结构函数是软件后处理分析的重点。什么是结构函数？

结构函数是描述封装热流路径上的热阻与热容参数。

结构函数的获取：通过T3ster对芯片热相关参数的测试，得到芯片的温度变化瞬态曲线，可以从温度的变化曲线中通过数值变化得出其结构函数；

器件结构示意图

结构函数及简化的热阻模型

实验数据及分析说明

①下图为样品#1采用两个不同的TIM材料所得的结构函数；

– 我们通过分析软件可清晰的找到了两曲线的交叉点，此点值正是芯片的结壳热阻。交叉点前端曲线为芯片内部结构层热阻，从图看几乎是完全重合。由于是同一个芯片，所以理论上应该是重合的。当然假设同一个芯片工作久了在拿过来测，或许就会差别较大了，这也就是通常我们所说的芯片老化，疲劳带来的品质问题。

②3个样品测试的结构函数

从下图可看出，#1，#2，#3三个芯片的结构函数是不重合的，结壳热阻也有所不同：

– 由于IC封装里面每个结构层的尺寸，工艺控制多少有些差异，或是焊接层空洞等多方面因素导致其各层热阻的差异，通过同批次多数量的热阻检测，可以分析芯片热管理的可靠性。

– TIM层热阻差异主要由于每次测量时压力不同导致。