1）热瞬态测试仪（T3Ster）

Mentor公司生产的瞬态热阻测试仪T3ster，能够测试出器件热传导路径上各层的热容和热阻等参数热特性。T3Ster的研发者MicRed制定了全球第一个用于测试LED的国际标准JESD 51-51，以及LED光热一体化的测试标准JESD 51-52。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（见图10-12）。

T3Ster用于半导体器件的先进热特性测试仪，同时用于测试IC、SoC、SIP、散热器、热管等的热特性。T3Ster既能测试稳态热阻，也能测试瞬态热阻抗。T3Ster独创的结构函数（Structure Function）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可以和热仿真软件Flotherm，FloEFD无缝结合，将实际测试得到的器件热学参数导入仿真软件进行后续仿真优化。

图10-12　T3ster测试系统

本节就以T3ster为例，介绍热阻测试仪的基本原理及具体应用。

2）T3Ster的工作原理

（1）理论基础

①R-C并联回路。对于任意的导热介质元，可以简化成一个R-C并联回路（见图10-13）。

图10-13　R-C并联回路

当热源产生的热流经过该介质单元时，就会在介质单元两端形成温度差，刚开始时热量将首先在热容中累积从而两端温差增大，一段时间后达到热平衡，平衡状态下的热阻称为“稳态热阻”。器件受热容和热阻共同影响，在热平衡之前，结温和热阻随着时间不断变化，此时的热阻称为“瞬态热阻”瞬态热阻的测量是热阻内部结构测量的基础。

②热阻结构函数。结构函数描述的是LED器件及灯具封装热流传递途径上各层热容及热阻的参数，通过对测得LED芯片的瞬态温度变化曲线，然后再通过数值变化的多次处理从瞬态温度变化曲线中获得其结构函数。

给定功率后，R-C温度公式可表示为：

式中，τ＝RthCth是时间常数，对具有N个时间常数的热学系统，其温度相应可以表示为：

获得温度后，Rthi和τ的关系构成的图形即为时间常数谱图，一般时间常数谱图不是离散的是连续的，因为在实际的物理系统模型中，比热容和热阻是不能分开的，且物体材料的比热容沿热阻呈连续分布，所以是连续的，如图10-14所示。

图10-14　时间常数谱图

图10-15　驱动点的Cauer网络模型

把时间常数谱离散化，就可以获得n个节点构成的Foster热学系统模型。由于点对点热容没有任何实际的物理意义，所以进一步需要对Foster热学模型进行变换处理，从而得到所有的热容都接地的Cauer热学系统模型（见图10-15）。(www.daowen.com)

再通过Cauer热学系统网络，将网络中所有的比热容及热阻进行叠加处理，便可以得到积分结构函数：

式中　λ（ξ）——材料热导率；

c（ξ）——单位体积比热容；

A（ξ）——沿着热流路径x处的横截面积，横坐标为零的地方表示热源的位置。

将上面的积分结构函数对Rall求导，就可获得微分结构函数：

以下通过一个实例来说明结构函数确定LED封装结构的基本过程（见图10-16、图10-17）。

图10-16　LED封装结构的R-C结构构造

图10-17　通过积分结构和微分结构函数确定LED封装各部分热阻

（2）T3ster测量热阻的实际操作

①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，小电流）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，测量温度敏感参数（TSP），得到一条校准曲线。该直线的斜率即为K系数（见图10-18）。

图10-18　确定V-T变化曲线

②瞬态温度曲线的采集。将器件用恒定大电流（可以使用100 A）加热，使其达到热平衡。瞬间切换到小电流（200 mA）上，在器件冷却过程中，高速采样器件电压变化根据K系数转换成器件结温变化。

③结构函数。对温度变化曲线进行求导、反卷积、离散化、等效变换、结构函数等一系列数学运算，提取出结构函数。

④从结构函数中自动分析出热阻和比热容等热参数（见图10-19）。

图10-19　T3ster测试原理简图

3）常见厂家及型号

除了T3ster外，美国Analysistech phase11热阻分析仪、远方的TRA-200／300 LED热阻结构分析系统等，也是经常用到的结温测试仪器。