探索熱阻測試儀在半導體器件熱管理中的應用與前景

隨著半導體器件不斷向高頻、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，導致性能及長期可靠性降低。為了有效進行散熱設計和性能檢測，必須精確測量器件有源區(qū)溫度變化并分析熱阻構成分布，這對半導體器件生產(chǎn)行業(yè)及使用單位至關重要。

自1947年第一支雙極性晶體管誕生以來，半導體行業(yè)的迅速發(fā)展改變了社會面貌并影響著人們的生活。從1965年摩爾定律的提出開始，半導體技術按摩爾定律不斷發(fā)展，集成電路密度增加、尺寸縮小，導致工作過程中散熱能力下降。熱量積累導致器件結點溫度升高，進而性能下降。因此，熱阻測試、功率測試在半導體研發(fā)中至關重要。

第一支雙極性晶體管

熱阻是指熱量在熱流路徑上的阻力，是表征介質或介質間熱傳導能力的重要參數(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。

半導體器件特征尺寸持續(xù)縮小、功率密度增加，導致器件結溫升高，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)境應力密切相關。器件的瞬態(tài)溫升與熱阻密切相關，熱阻由芯片層、焊料層、管殼等組成。利用瞬態(tài)溫升技術，可測得器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，不但可以測得半導體器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，而且可以直接測量各部分對于溫升的貢獻，計算芯片熱流路徑上的縱向熱阻構成，對器件熱可靠性設計、散熱問題解決、產(chǎn)品性能提升和長期可靠性至關重要。

半導體器件內部熱阻構成示意圖

目前，國內外對單芯片內部熱阻組成和結殼熱阻進行了廣泛研究，并有一些科研院所和企業(yè)研制出了熱阻測試儀。美國AnalysisTec公司的Phase11熱阻測試儀和MicRed公司的T3Ster熱阻測試儀是兩款比較有影響力的商業(yè)化熱阻測試儀。Phase11適用于三極管、MOSFET、二極管和IGBT等器件的熱阻測試，操作復雜，測量周期長。T3Ster可以測量常見三極管、常見二極管、MOS管和LED等半導體器件的熱阻。該儀器利用結構函數(shù)處理可以分析出熱流路徑上各組成熱阻。接下來我們就重點介紹一下T3Ster熱阻測試儀。

Phase11熱阻測試儀

T3Ster熱阻測試儀

T3Ster是MicReD研發(fā)的熱測試儀，運用JEDEC穩(wěn)態(tài)實時測試方法，專業(yè)測試分離或集成的雙極型晶體管、MOS晶體管、常見的三極管、LED封裝和半導體閘流管等器件的熱特性。它能測試具有單獨加熱器和溫度傳感器的熱測試芯片，以及PCB和導熱材料的熱特性。T3Ster通過改變器件輸入功率使其產(chǎn)生溫度變化，測試出芯片的瞬態(tài)溫度響應曲線，在幾分鐘之內即可分析得到關于該電子器件的全面的熱特性。與基于脈沖方法的熱測試儀不同，T3Ster采用實時測量方法，能快速準確地捕捉溫度瞬態(tài)曲線。它可通過在固定電流下測量PN結上的壓降實現(xiàn)PN結溫度隨時間的變化規(guī)律。計算機通過接口插件與設備相連并對其進行控制，試驗結果實時顯示，并由軟件進行控制和后處理。結構函數(shù)的計算利用NID（Networkidentificationbydeconvolution，反卷積網(wǎng)絡計算）方法，要求采集的試驗數(shù)據(jù)非常準確且連續(xù)，以保證結果準確性。T3Ster測試儀的瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集精度高達1μs，可精確捕捉每一個溫度的瞬態(tài)變化，保證了分析結果的準確性。其高信噪比可允許精細測量，在測量封裝的結溫時具有較高的精度。

T3Ster產(chǎn)品圖

SimcenterT3Ster設備提供了非破壞性的熱測試方法，其原理為：

1）首先通過改變電子器件的功率輸入；

2）通過測試設備TSP（TemperatureSensorParameter熱相關參數(shù)）測試出電子器件的瞬態(tài)溫度變化曲線；

3）對溫度變化曲線進行數(shù)值處理，抽取出結構函數(shù)；

4）從結構函數(shù)中自動分析出熱阻和熱容等熱屬性參數(shù)；

參考文獻：

[1] 楊軍偉.半導體器件熱阻測量結構函數(shù)法優(yōu)化及數(shù)據(jù)處理技術研究[D].北京工業(yè)大學,2016.

[2] 王超.基于瞬態(tài)溫升技術多通道系統(tǒng)級熱阻測試儀研究與開發(fā)[D].北京工業(yè)大學,2017.

[3] 張立,汪新剛,崔福利.使用T3Ster對宇航電子元器件內部熱特性的測量[J].空間電子技術,2011,8(02):59-64.

[4] 溫存,林偉瀚,周明,等.模組內部燈條LED真實熱阻模擬測試系統(tǒng)研究與分析[J].電子產(chǎn)品世界,2020,28(12):33-36.