探索熱阻測(cè)試儀在半導(dǎo)體器件熱管理中的應(yīng)用與前景

隨著半導(dǎo)體器件不斷向高頻、高功率、高集成度方向發(fā)展，器件的有源區(qū)工作溫升也隨之升高，導(dǎo)致性能及長(zhǎng)期可靠性降低。為了有效進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和性能檢測(cè)，必須精確測(cè)量器件有源區(qū)溫度變化并分析熱阻構(gòu)成分布，這對(duì)半導(dǎo)體器件生產(chǎn)行業(yè)及使用單位至關(guān)重要。

自1947年第一支雙極性晶體管誕生以來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展改變了社會(huì)面貌并影響著人們的生活。從1965年摩爾定律的提出開(kāi)始，半導(dǎo)體技術(shù)按摩爾定律不斷發(fā)展，集成電路密度增加、尺寸縮小，導(dǎo)致工作過(guò)程中散熱能力下降。熱量積累導(dǎo)致器件結(jié)點(diǎn)溫度升高，進(jìn)而性能下降。因此，熱阻測(cè)試、功率測(cè)試在半導(dǎo)體研發(fā)中至關(guān)重要。

熱阻是指熱量在熱流路徑上的阻力，是表征介質(zhì)或介質(zhì)間熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)，其物理意義是單位熱量引起的溫升，單位是℃/W。把溫差看作電壓，把熱流看作電流，那么熱阻就可以看作是電阻。

半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)縮小、功率密度增加，導(dǎo)致器件結(jié)溫升高，這直接影響器件性能和壽命。70%的電子器件損壞與高熱環(huán)境應(yīng)力密切相關(guān)。器件的瞬態(tài)溫升與熱阻密切相關(guān)，熱阻由芯片層、焊料層、管殼等組成。利用瞬態(tài)溫升技術(shù)，可測(cè)得器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，不但可以測(cè)得半導(dǎo)體器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，而且可以直接測(cè)量各部分對(duì)于溫升的貢獻(xiàn)，計(jì)算芯片熱流路徑上的縱向熱阻構(gòu)成，對(duì)器件熱可靠性設(shè)計(jì)、散熱問(wèn)題解決、產(chǎn)品性能提升和長(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)單芯片內(nèi)部熱阻組成和結(jié)殼熱阻進(jìn)行了廣泛研究，并有一些科研院所和企業(yè)研制出了熱阻測(cè)試儀。美國(guó)AnalysisTec公司的Phase11熱阻測(cè)試儀和MicRed公司的T3Ster熱阻測(cè)試儀是兩款比較有影響力的商業(yè)化熱阻測(cè)試儀。Phase11適用于三極管、MOSFET、二極管和IGBT等器件的熱阻測(cè)試，操作復(fù)雜，測(cè)量周期長(zhǎng)。T3Ster可以測(cè)量常見(jiàn)三極管、常見(jiàn)二極管、MOS管和LED等半導(dǎo)體器件的熱阻。該儀器利用結(jié)構(gòu)函數(shù)處理可以分析出熱流路徑上各組成熱阻。接下來(lái)我們就重點(diǎn)介紹一下T3Ster熱阻測(cè)試儀。

T3Ster是MicReD研發(fā)的熱測(cè)試儀，運(yùn)用JEDEC穩(wěn)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)試方法，專業(yè)測(cè)試分離或集成的雙極型晶體管、MOS晶體管、常見(jiàn)的三極管、LED封裝和半導(dǎo)體閘流管等器件的熱特性。它能測(cè)試具有單獨(dú)加熱器和溫度傳感器的熱測(cè)試芯片，以及PCB和導(dǎo)熱材料的熱特性。T3Ster通過(guò)改變器件輸入功率使其產(chǎn)生溫度變化，測(cè)試出芯片的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線，在幾分鐘之內(nèi)即可分析得到關(guān)于該電子器件的全面的熱特性。與基于脈沖方法的熱測(cè)試儀不同，T3Ster采用實(shí)時(shí)測(cè)量方法，能快速準(zhǔn)確地捕捉溫度瞬態(tài)曲線。它可通過(guò)在固定電流下測(cè)量PN結(jié)上的壓降實(shí)現(xiàn)PN結(jié)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。計(jì)算機(jī)通過(guò)接口插件與設(shè)備相連并對(duì)其進(jìn)行控制，試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，并由軟件進(jìn)行控制和后處理。結(jié)構(gòu)函數(shù)的計(jì)算利用NID（Networkidentificationbydeconvolution，反卷積網(wǎng)絡(luò)計(jì)算）方法，要求采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確且連續(xù)，以保證結(jié)果準(zhǔn)確性。T3Ster測(cè)試儀的瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集精度高達(dá)1μs，可精確捕捉每一個(gè)溫度的瞬態(tài)變化，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。其高信噪比可允許精細(xì)測(cè)量，在測(cè)量封裝的結(jié)溫時(shí)具有較高的精度。

SimcenterT3Ster設(shè)備提供了非破壞性的熱測(cè)試方法，其原理為：

1）首先通過(guò)改變電子器件的功率輸入；

2）通過(guò)測(cè)試設(shè)備TSP（TemperatureSensorParameter熱相關(guān)參數(shù)）測(cè)試出電子器件的瞬態(tài)溫度變化曲線；

3）對(duì)溫度變化曲線進(jìn)行數(shù)值處理，抽取出結(jié)構(gòu)函數(shù)；

4）從結(jié)構(gòu)函數(shù)中自動(dòng)分析出熱阻和熱容等熱屬性參數(shù)；

關(guān)鍵詞：T3ster,Micred,功率循環(huán)，結(jié)溫測(cè)試，熱阻測(cè)試，結(jié)溫?zé)嶙铚y(cè)試，半導(dǎo)體熱特性測(cè)試；

參考文獻(xiàn)：

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審核編輯 黃宇