封裝端暫態熱阻量測暨結構函數之解析-T3Ster量測數據解析

勢流科技股份有限公司

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Agenda

• CFD模擬與熱阻量測• 量測方法與問題• T3Ster 熱阻量測介紹

– 量測原理– 量測結果

• 量測案例• 量測案例• 其他量測系統• 結論

2

ÿ CFD模擬CFD模擬與熱阻量測

TSimulation建模 Mesh 求解

ÿ 熱阻量測

3

TMeasurement實體樣品前製作業

熱阻量測

0 10 20 30 40 50 60 70 80

1e-4

0.01

1

100

10000

Rth [K/W]

Cth

[W

s/K

]

T3Ster Master: cumulative structure function(s)

34.95

board1-AVDD_1mA_350mA_K6 - Ch. 0board2-AVDD_1mA_350mA_K6 - Ch. 0

數據分析

熱阻量測方法

JESD51-1

4

ÿ 表面溫度ÿ 物體輻射的紅外能量ÿ 不適用於反射率高的材料

IR scan Thermal couple

ÿ 表面溫度ÿ 熱電效應ÿ 手法易造成誤差

ETM (JESD)

ÿ Junction 溫度ÿ 半導體熱特性ÿ 適用於大多數半導體封裝 & 手法務差低

電性量測法

• 電性量測法(Electrical test method, ETM)：ÿ靜態量測(Static test method) &動態量測(Dynamic test method)– 利用半導體元件電壓隨溫度規律變化之熱特性。– 量測電壓變化後可準確計算出溫度差。– 真正求得晶片之接面溫度(Junction temperature)變化ÿ穩態量測(Steady state) &暫態量測(Transient state)ÿ穩態量測(Steady state) &暫態量測(Transient state)

5

ΔTj vs. Δt dTj vs. dt

收費站 行車紀錄器

T3Ster熱阻量測

ÿ T3Ster – the Thermal Transient Tester (MicReD)ÿ 適用於所有的半導體元件ÿ 符合國際JEDEC 量測規範

− 量測原理採JESD51-1規範之電性量測法(靜態量測)− 透過 JEDEC JESD 51-14規範之異質熱介質暫態量測法(Transient Dual Interface Method, TDIM) ，測得測法(Transient Dual Interface Method, TDIM) ，測得封裝整體熱阻。

T3Ster量測原理-TSP & K factor• 改變待測元件所處的環溫，量測元件電壓隨溫度之改變 (使用感測電流驅動)

∆T = ∆VF·K [oC/mV]

− 切換為量測電流之瞬間即啟動量測，並即時量測兩個穩定狀態間之溫度暫態變化。

• 改變待測元件輸入功率，元件溫度隨之改變:

T3Ster量測原理-暫態溫度變化量測

tem

pera

ture

initial steady-statePower (W)

− 大電流，大功率→加熱，元件升溫並與環境達初始穩定狀態− 小電流，小功率→量測，元件降溫並與環境達最終穩定狀態

Thermal transient response curve as

measured by T3Ster

log t time

T t

empe

ratu

re initial steady-state

final steady-state

measure

heating

Voltage (V)

time

ΔV

△P

time

ΔV ×∣K∣

100

10000

100

10000

Cth

[W

s / K

]

K [W

²s /

K²]

T3Ster Master: structure function(s)

CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr - Ch. 0CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr - Ch. 0 (Differential)

結構函數

Grease

Cold-plate

0 5 10 15 20 25 30

1e-4

0.01

1

1e-4

0.01

1

Rth [K / W]

Cth

[W

s / K

]

K [W

²s /

K²]

9

Base (solder + substrate + MCPCB)

Grease

Die attach

Chip

− 切換為量測電流之瞬間即啟動量測，並即時量測兩個穩定狀態間之溫度暫態變化。

• 改變待測元件輸入功率，元件溫度隨之改變:

T3Ster量測原理-暫態溫度變化量測

tem

pera

ture

initial steady-statePower (W)

− 大電流，大功率→加熱− 小電流，小功率→量測

元件升溫並與環境達初始穩定狀態

元件降溫並與環境達最終穩定狀態

ÿ T3Ster機台能力− 大小電流切換僅需1微秒

Thermal transient response curve as

measured by T3Ster

log t time

T t

empe

ratu

re initial steady-state

final steady-state

measure

heating

Voltage (V)

time

ΔV

△P

time

ΔV ×∣K∣

− 大小電流切換僅需1微秒− 1微秒即啟動量測− 最快量測速率1微秒

100

10000

100

10000

Cth

[W

s / K

]

K [W

²s /

K²]

T3Ster Master: structure function(s)

CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr - Ch. 0CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr - Ch. 0 (Differential)

結構函數之解析

Grease

Cold-plate

0 5 10 15 20 25 30

1e-4

0.01

1

1e-4

0.01

1

Rth [K / W]

Cth

[W

s / K

]

K [W

²s /

K²]

11

Base (solder + substrate + MCPCB)

Grease

Die attach

Chip

JESD 51-14 異介質量測法

Measure DUT with grease and without grease to obtain two structure functions. Then we can find the branching point of these structure functions to check the position of Rthjc.

12

With grease

Without grease

Air gap

JESD 51-14 異介質量測法

0.01

1

100

10000

0.01

1

100

10000

Cth

[W

s / K

]

T3Ster Master: structure function(s)

small chip sizebig chip size

ÿ 改變不同晶片(different chip size)

ÿ 改變基板的結構(Slug vs. Via)，固定其他層的封裝材料

13

0 2 4 6 8 10 12 14

1e-4 1e-4

Rth [K / W]

0 2 4 6 8 10 12 14

1e-4

0.01

1

100

10000

1e-4

0.01

1

100

10000

Rth [K / W]

Cth

[W

s / K

]

K [W

²s /

K²]

T3Ster Master: structure function(s)

small chip sizebig chip size

0 10 20 30 40 50 60

1e-4

0.01

1

100

10000

1e6

1e-4

0.01

1

100

10000

1e6

Rth [K / W]

Cth

[W

s / K

]

T3Ster Master: structure function(s)

Slug in the substrateVia in the substrate

T3Ster量測結果

• 結構函數– 可藉由結構函數分析待測元件各層熱阻與熱容值.

• 接面溫度變化曲線– 可得到實際接面溫度

1e-6 1e-5 1e-4 0.001 0.01 0.1 1 10 1000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Time [s]

Tem

pera

ture

cha

nge

[蚓]

T3Ster Master: Smoothed response

4.9

39.85

board1-SDA_1mA_300mA_K6 - Ch. 0board2-SDA_1mA_300mA_K6 - Ch. 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

1e-4

0.01

1

100

10000

Rth [K/W]

Cth

[W

s/K

]

T3Ster Master: cumulative structure function(s)

34.95

board1-AVDD_1mA_350mA_K6 - Ch. 0board2-AVDD_1mA_350mA_K6 - Ch. 0

• 暫態熱阻函數圖(Zth)– 熱阻對應時間之圖形

• Pulse暫態熱阻函數圖– 可得到不同duty cycle下之元件熱阻特性

1e-6 1e-5 1e-4 0.001 0.01 0.1 1 10 1000

5

10

15

20

25

30

35

Time [s]

Nor

mal

ized

tem

pera

ture

rise

[蚓]

T3Ster Master: Zth

14.42

board1-IOVDD_1mA_400mA-K6 - Ch. 0 From Measurementboard2-IOVDD_1mA_400mA-K6 - Ch. 0 From Measurement

1e-6 1e-5 1e-4 0.001 0.01 0.1 1 10 100 10000.1

1

10

100

Pulse time [s]

Puls

e th

erm

al re

sist

ance

[K/W

]

T3Ster Master: Pulse Rth Diagram

board1-AVDD_1mA_1A_K6 - 80.0%board1-AVDD_1mA_1A_K6 - 50.0%board1-AVDD_1mA_1A_K6 - 20.0%board1-AVDD_1mA_1A_K6 - 10.0%board1-AVDD_1mA_1A_K6 - 5.0%board1-AVDD_1mA_1A_K6 - 2.0%board1-AVDD_1mA_1A_K6 - 1.0%

結構函數ÿ 將量測到的結構函數匯入FloTHERM做更精確的模擬

15

T3Ster Master Ver 2.4

T3Ster系統應用 L-I-V measurement

TeraLED可變溫光學積分球ÿ TeraLED可單獨使用

−可量測不同環溫、不同驅動電流下之光學特性−自動化量測

ÿ T3Ster 搭配 TeraLED量測系統ÿ T3Ster 搭配 TeraLED量測系統−可量測不同晶片溫度、不同驅動電流之光學特性−自動化量測−可控制晶片結面溫度−可得到真實LED封裝熱特性−滿足 JESD 51-51, 51-52 & CIE-12007 之量測規範

Tref [°C] IF [mA] VF [V] Pel [W]Pheat[W]

Rthreal[K/W] Tj [°C]

22.3 50 2.77 0.139 0.0926 27.7 24.9

13 200 3.01 0.603 0.422 26.5 24.29.9 350 3.12 1.09 0.794 27 31.4

52 50 2.69 0.134 0.0921 29.9 54.8

T3Ster系統應用 L-I-V measurementÿ 各種光學特性暨熱阻特性表

17

52 50 2.69 0.134 0.0921 29.9 54.8

43.4 200 2.88 0.576 0.405 28.9 55.132.7 350 3.02 1.06 0.768 28.7 54.8

81.7 50 2.63 0.132 0.0945 32.7 84.8

72.5 200 2.79 0.558 0.401 31.5 85.161.3 350 2.91 1.02 0.751 31.5 84.9

Sensitivity: -1.63 mV/K (Imeas =1 mA)Transient Correction: Minimum seek (30

us - 2 s)

T3Ster系統應用 L-I-V measurementÿ 將量測到的光熱耦合數據匯入FloEFD做更精確的模擬

18

T3Ster系統應用

ÿ T3SterJESD51-14 Rthjc

ÿ DynTIM材料熱傳導係數量測

ÿ Power Tester 1500A功率迴圈之可靠度測試

JESD51-14 Rthjc量測JESD51-2A Rthja量測

ÿ Power Tester 600A功率迴圈之可靠度測試

ÿ TeraLED光熱耦合量測

結論

• CFD模擬可利用T3Ster的暫態熱阻量測數據所獲得精準的Tj溫度與熱阻結果，提升模擬的精準度，也可以利用後處理軟體T3Ster Master計算出來的結構函數，進一步的對各層封裝結構作解析。

• T3Ster量測結果與軟體模擬之整合，提升模擬能力使模擬結果更精確。

– T3Ster結構函數可匯入FloTHERM，進一步執行calibration– TeraLED光熱耦合量測結果匯入FloEFD，提升LED系統模擬– TeraLED光熱耦合量測結果匯入FloEFD，提升LED系統模擬結果的精準度

20

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-25

-20

-15

-10

-5

0

Tem

pera

ture

cha

nge

[°C]

T3Ster Master: Recorded functions

CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr - Ch. 0

案例說明-LED measurement

1e-6 1e-5 1e-4 0.001 0.01 0.1 1 10 100-35

-30

Time [s]

22

LED PKGTref (℃) 25Id (mA) 350Is (mA) 1Power 0.792

TSP(mV/℃) -1.629-6.6

-6.4

-6.2

-6

-5.8

-5.6

-5.4

-5.2

Time [s]

Tem

pera

ture

cha

nge

[°C]

T3Ster Master: Recorded functions

CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr - Ch. 0

Real time

案例說明-Tj溫度變化

23

ÿ 功率切換時間:1usÿ ΔT=21.4 oC

40ms

案例說明-Tj溫度變化

ÿ 功率切換時間:40msÿ ΔT=15.51 oC1us

1e-6 1e-5 1e-4 0.001 0.01 0.1 1 10 1000

5

10

15

20

25

Time [s]

Tem

pera

ture

cha

nge

[°C]

T3Ster Master: Smoothed response

15.51

CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr@2 - Ch. 0

24

Error: 27.5%

1us

40ms

100

10000

100

10000

Cth

[W

s / K

]T3Ster Master: structure function(s)

19.58 7.439

CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr - Ch. 0CreeLED_CW_350mA_1mA test5_T25_I0350_corr@2 - Ch. 0

案例說明-結構函數

Total Rthÿ 1us →27.02 K/Wÿ 40ms→19.58 K/W

0 5 10 15 20 25 30

1e-4

0.01

1

1e-4

0.01

1

Rth [K / W]

Cth

[W

s / K

]

25

ÿ 40ms→19.58 K/W