如何確保功率半導(dǎo)體器件光電器件和高功率密度產(chǎn)品熱性能一致

引言：

隨著芯片結(jié)溫的升高，半導(dǎo)體器件的壽命將呈指數(shù)下降。芯片的工作溫度取決于半導(dǎo)體封裝的結(jié)構(gòu)及其冷卻環(huán)境。適宜的熱設(shè)計(jì)和可靠的制造程序能幫助將半導(dǎo)體器件以及模組的使用壽命維持在所需水平，從而使汽車中的電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備中的中央處理器CPU、高亮度LED等應(yīng)用變得安全可靠。

客戶挑戰(zhàn)：

熱質(zhì)量測試系統(tǒng)旨在解決一些客戶的關(guān)鍵問題。我們總結(jié)了以下最重要的潛在問題。

您如何確保您的功率半導(dǎo)體器件、光電器件和高功率密度產(chǎn)品的熱性能一致?

熱質(zhì)量評估對于盡早識(shí)別潛在的材料缺陷、工藝變化或任何影響熱性能的結(jié)構(gòu)問題是非常重要的。我們基于瞬態(tài)熱測試的方法，有助于發(fā)現(xiàn)這些缺陷和這些缺陷的影響。瞬態(tài)熱測試方法是一種快速、非破壞性的測試方法。

您的客戶是否要求提供描述您銷售的每個(gè)器件以及模組的熱信息，特別是在汽車行業(yè)?

在質(zhì)量方面，汽車OEM廠商往往將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置得非常高。他們需要越來越多的器件/模組數(shù)據(jù)，包括熱數(shù)據(jù)?？焖?、在線的瞬態(tài)熱測試有助于捕獲與所售每個(gè)器件以及模組相關(guān)的熱性能數(shù)據(jù)。

您如何管理您的生產(chǎn)質(zhì)量(環(huán)氧樹脂質(zhì)量、工藝參數(shù))?

熱學(xué)界面材料或者DieAttach材料在暴露于空氣后往往會(huì)迅速變得無法使用。在許多情況下，可用性時(shí)間是根據(jù)生產(chǎn)中的最佳實(shí)踐定義的，因此大量材料過早地被處理掉。能夠表征這些化合物的實(shí)際使用壽命，可以幫助半導(dǎo)體公司每家工廠每年節(jié)省10萬美元以上。

您是否看到基于熱性能的分級價(jià)值?

基于熱性能的分級有助于創(chuàng)建更廣泛的產(chǎn)品組合。例如：最高質(zhì)量的LED-s可以用于汽車應(yīng)用，而較低熱性能的樣品仍然非常適合對質(zhì)量要求不太嚴(yán)格的家庭照明應(yīng)用。

這是怎么做到的?

該過程很簡單，瞬態(tài)熱測試設(shè)備發(fā)出一個(gè)短脈沖并捕獲被測器件/模組的熱響應(yīng)信號。將獲得的熱響應(yīng)信號與標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并根據(jù)兩個(gè)信號的差異做出通過/不通過或進(jìn)一步分級的決定。

圖2：瞬態(tài)熱測試的過程

西門子的Simcenter MicReD Quality Tester在線質(zhì)量測試設(shè)備的軟件允許設(shè)置測試參數(shù)，操作界面基于已經(jīng)在業(yè)界非常流行的Simcenter MicReD POWERTESTER控制軟件中使用的界面，同樣可以類似地選擇被測器件的“定義”和“測試模式”。在本例中，我們設(shè)置了一個(gè)SiCMOSFET。如果合適的恒溫器連接到測試系統(tǒng)，也可以從該界面執(zhí)行被測器件的K系數(shù)的測量和校準(zhǔn)。

成功創(chuàng)建被測器件的“定義”后，可以在后續(xù)的“TestCase”菜單中對被測器件的熱阻抗曲線進(jìn)行測量。

在“TestCase”選擇窗口下，可以設(shè)置描述標(biāo)準(zhǔn)參考測試和生產(chǎn)中進(jìn)行測試的測試參數(shù)，包括：時(shí)間參數(shù)、加熱電流和測量范圍等。在當(dāng)前案例中，我們使用100A驅(qū)動(dòng)電流，加熱時(shí)間為0.5秒，冷卻時(shí)間為0.5秒。測試電流來自“被測器件的定義”。

一旦設(shè)置了測試參數(shù)，測試系統(tǒng)就會(huì)捕獲標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，并允許進(jìn)行“初始電氣噪音”的電瞬態(tài)校正。在此步驟中應(yīng)用K系數(shù)。請參考圖7。獲得測量數(shù)據(jù)后，可以在此界面定義不同器件的分級限制。

要設(shè)置分級限制，可以采取以下步驟：

系統(tǒng)自動(dòng)使用應(yīng)用K系數(shù)，顯示Zth曲線;

用戶可以選擇時(shí)間點(diǎn)來比較質(zhì)量測試過程中記錄的數(shù)據(jù)，例如：在這個(gè)案例中為500、1000、5000和10000μs;

每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都可以有其分級的設(shè)置，這基本上定義了與標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)的差異/距離。在這個(gè)例子中，類別#1是好的數(shù)據(jù)，類別#2不太可以接受，類別#3或任何超出此類別的都是有缺陷的器件/模組;

測試過程：

測試過程非常簡單，不需要操作人員具有任何詳細(xì)的瞬態(tài)熱測試的知識(shí)。操作人員可以選擇“被測器件”定義和相應(yīng)的“TestCase”并將其添加到測試項(xiàng)目中，如圖8所示。

一旦選擇了被測器件類型和“TestCase”，操作人員就可以設(shè)置并進(jìn)行自動(dòng)的Rth測試：

在實(shí)際開始測試之前，必須填寫被測試樣品的批次ID和操作人員名稱。在此案例中，系統(tǒng)將從樣本#1開始以自動(dòng)增量的形式測試到10000個(gè)樣本。設(shè)置測量非常簡單。

K系數(shù)校準(zhǔn)：

對于基本比較，K系數(shù)校準(zhǔn)將是不必要的。然而，在實(shí)際測試場景中，樣本的K系數(shù)可能會(huì)不同，結(jié)果可能比較分散，并且對于識(shí)別真實(shí)的Zth值也可能很重要。

然而，在測試中為了快速測試，沒有時(shí)間自動(dòng)測量和校準(zhǔn)每個(gè)被測器件的K系數(shù)，因此使用數(shù)學(xué)程序代替。步驟如下：

在測試中，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(芯片尺寸、基板尺寸和幾何形狀)是非常穩(wěn)定的;

設(shè)置“Test Case”的用戶，將能夠選擇與這些被測器件特征相對應(yīng)的曲線部分——它們一定會(huì)與參考被測器件具有相同的熱響應(yīng)，因?yàn)閹缀涡螤詈桶雽?dǎo)體材料是相同的;

系統(tǒng)軟件將自動(dòng)檢查曲線是否在此選定部分重合;

如果此時(shí)不重合，系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)尋找乘數(shù)因子來擬合曲線，并將其用作K系數(shù)校準(zhǔn);

這發(fā)生在決策之前，如果需要，可以保存新參數(shù)以供進(jìn)一步分析;

在下面的例子中我們選擇了兩條曲線，一條是標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)，另一條是未經(jīng)校準(zhǔn)的測試數(shù)據(jù)。它們非常接近，沒有任何調(diào)整：

在下一步中，我們仔細(xì)查看了200μs到300μs范圍，以找出可能的差異：

圖11：圖9的局部放大

差異是微小的，但是是存在的。找到一個(gè)正確的乘數(shù)因子，名為00014的測量曲線將與標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)完全相同——我們有一個(gè)很好的標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，它的Zth信息和K系數(shù)是已知的：

圖11：修正后的曲線與原圖完美重合

使用仿真來確定分級的限制：

在專業(yè)的熱仿真分析軟件Simcenter Flotherm和Simcenter FLOEFD中，使用校準(zhǔn)過的詳細(xì)熱模型可以幫助識(shí)別和設(shè)置分級限制范圍：

然后可以將被測器件/模組自動(dòng)分類到不同的箱中。

責(zé)任編輯：haq