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 精密儀器事業部 產品工程師 Ivy 02-27266269 ext. 24 ivy@flotrend.com.tw
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 其他量測系統 結論 2
CFD 模擬 CFD 模擬與熱阻量測 建模 Mesh 求解 T Simulation 熱阻量測 實體樣品前製作業 熱阻量測 數據分析 T Measurement T3Ster Master: cumulative structure function(s) 34.95 board-avdd_ma_350ma_k6 - Ch. 0 board2-avdd_ma_350ma_k6 - Ch. 0 Cth [Ws/K] 0.0 e-4 3 0 0 20 30 40 50 60 70 80 Rth [K/W]
JESD5- 熱阻量測方法 IRscan 表面溫度 物體輻射的紅外能量 不適用於反射率高的材料 Thermal couple 表面溫度 熱電效應 手法易造成誤差 4 ETM (JESD) Junction 溫度 半導體熱特性 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): 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 穩態量測 (Steady state) & 暫態量測 (Transient state) ΔTj vs. Δt 收費站 dtj vs. dt 行車紀錄器 5
T3Ster 熱阻量測 T3Ster the Thermal Transient Tester (MicReD) 適用於所有的半導體元件 符合國際 JEDEC 量測規範 量測原理採 JESD5- 規範之電性量測法 ( 靜態量測 ) 透過 JEDEC JESD 5-4 規範之異質熱介質暫態量測法 (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= V F K [ o C/mV]
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 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 heating P Power (W) measure time T temperature e initial steady-state Thermal transient response curve as measured by T3Ster Voltage (V) ΔV K final steady-state ΔV time logt time
結構函數 T3Ster Master: structure function(s) CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr - Ch. 0 CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr - Ch. 0 (Differential) Cold-plate / K] Cth [Ws Base (solder + substrate + MCPCB) Grease K [W²s / K²] 0.0 0.0 Die attach e-4 Chip e-4 0 5 0 5 20 25 30 Rth [K / W] 9
改變待測元件輸入功率, 元件溫度隨之改變 : heating P T3Ster 量測原理 - 暫態溫度變化量測 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 Power (W) measure T3Ster 機台能力 initial steady-state 大小電流切換僅需 微秒 T temperature e 微秒即啟動量測 最快量測速率 微秒 time Thermal transient response curve as measured by T3Ster Voltage (V) ΔV K final steady-state ΔV time logt time
結構函數之解析 T3Ster Master: structure function(s) CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr - Ch. 0 CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr - Ch. 0 (Differential) Cold-plate / K] Cth [Ws Base (solder + substrate + MCPCB) Grease K [W²s / K²] 0.0 Chip e-4 Die attach 0.0 e-4 0 5 0 5 20 25 30 Rth [K / W]
JESD 5-4 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. Air gap With grease Without grease 2
改變不同晶片 (different chip size) JESD 5-4 異介質量測法 T3Ster Master: structure function(s) small chip size big chip size Cth [Ws / K] 0.0 0.0 改變基板的結構 (Slug vs. Via), 固定其他層的封裝材料 e-4 e-4 e6 Slug in the substrate Via in the substrate T3Ster Master: structure function(s) e6 0 2 4 6 8 0 2 4 Rth [K / W] small chip size big chip size T3Ster Master: structure function(s) Cth [Ws / K] Cth [Ws / K] K [W²s / K²] 0.0 0.0 0.0 0.0 e-4 e-4 e-4 e-4 0 2 4 6 8 0 2 4 Rth [K / W] 3 0 0 20 30 40 50 60 Rth [K / W]
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. Cth [Ws/K] 0.0 e-4 T3Ster Master: cumulative structure function(s) 34.95 board-avdd_ma_350ma_k6 - Ch. 0 board2-avdd_ma_350ma_k6 - Ch. 0 T3Ster Master: Smoothed response 0 0 20 30 40 50 60 70 80 接面溫度變化曲線 可得到實際接面溫度 Temperature change [ 蚓 ] 45 board-sda_ma_300ma_k6 - Ch. 0 4.9 40 board2-sda_ma_300ma_k6 - Ch. 0 35 30 25 20 39.85 5 0 5 0 e-6 e-5 e-4 0.00 0.0 0. 0 Rth [K/W] Time [s] T3Ster Master: Zth 暫態熱阻函數圖 (Zth) 熱阻對應時間之圖形 Normalized temperature rise [ 蚓 ] 35 board-iovdd_ma_400ma-k6 - Ch. 0 From Measurement board2-iovdd_ma_400ma-k6 - Ch. 0 From Measurement 30 25 20 5 0 4.42 5 0 e-6 e-5 e-4 0.00 0.0 0. 0 Time [s] Pulse 暫態熱阻函數圖 可得到不同 duty cycle 下之元件熱阻特性 Pulse thermal resistance [K/W] T3Ster Master: Pulse Rth Diagram 0 board-avdd_ma_a_k6-80.0% board-avdd_ma_a_k6-50.0% board-avdd_ma_a_k6-20.0% board-avdd_ma_a_k6-0.0% board-avdd_ma_a_k6-5.0% board-avdd_ma_a_k6-2.0% board-avdd_ma_a_k6 -.0% 0. e-6 e-5 e-4 0.00 0.0 0. 0 0 Pulse time [s]
結構函數 將量測到的結構函數匯入 FloTHERM 做更精確的模擬 T3Ster Master Ver 2.4 5
T3Ster 系統應用 L-I-V measurement TeraLED 可變溫光學積分球 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 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 5-5, 5-52 & CIE-2007 之量測規範
T3Ster 系統應用 L-I-V measurement 各種光學特性暨熱阻特性表 Tref [ C] I F [ma] V F [V] Pel [W] Pheat [W] Rthreal [K/W] Tj [ C] 22.3 50 2.77 0.39 0.0926 27.7 24.9 3 200 3.0 0.603 0.422 26.5 24.2 9.9 350 3.2.09 0.794 27 3.4 52 50 2.69 0.34 0.092 29.9 54.8 43.4 200 2.88 0.576 0.405 28.9 55. 32.7 350 3.02.06 0.768 28.7 54.8 8.7 50 2.63 0.32 0.0945 32.7 84.8 72.5 200 2.79 0.558 0.40 3.5 85. 6.3 350 2.9.02 0.75 3.5 84.9 Sensitivity: -.63 mv/k (Imeas = ma) Transient Correction: Minimum seek (30 us - 2 s) 7
T3Ster 系統應用 L-I-V measurement 將量測到的光熱耦合數據匯入 FloEFD 做更精確的模擬 8
T3Ster系統應用 Ø T3Ster JESD5-4 Rthjc量測 Rthjc JESD5-2A Rthja量測 Ø Power Tester 600A 功率迴圈之可靠度測試 Ø TeraLED 光熱耦合量測 Ø Power Tester 500A 功率迴圈之可靠度測試 Ø DynTIM 材料熱傳導係數量測
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 系統模擬結果的精準度 20
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案例說明 -LED measurement 0 T3Ster Master: Recorded functions CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr - Ch. 0-5 Temperature change [ C] -0-5 -20-25 -30 LED PKG Tref( ) 25 Id (ma) 350 Is(mA) Power 0.792-35 e-6 e-5 e-4 0.00 0.0 0. 0 Temperature change [ C] -5.2-5.4-5.6-5.8-6 -6.2-6.4 Time [s] T3Ster Master: Recorded functions CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr - Ch. 0 Real time TSP(mV/ ) -.629-6.6 22 Time [s]
案例說明 -Tj 溫度變化 功率切換時間 :us ΔT=2.4 o C 40ms 23
案例說明 -Tj 溫度變化 us 功率切換時間 :40ms ΔT=5.5 o C T3Ster Master: Smoothed response 25 CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr@2 - Ch. 0 Temperature change [ C] 20 5 0 Error: 27.5% 5.5 24 5 40ms 0 e-6 e-5 e-4 0.00 0.0 0. 0 Time [s]
案例說明 - 結構函數 T3Ster Master: structure function(s) 9.58 7.439 CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr - Ch. 0 CreeLED_CW_350mA_mA test5_t25_i0350_corr@2 - Ch. 0 Cth [Ws / K] Total Rth us 27.02 K/W 40ms 9.58 K/W 0.0 0.0 e-4 e-4 0 5 0 5 20 25 30 Rth [K / W] 25