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)致性能及長期可靠性降低。為了有效進(jìn)行散熱設(shè)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(gòu)成分布，這對半導(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，半導(dǎo)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(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)致工作過程中散熱能力下降。熱量積累導(dǎo)致器件結(jié)點溫度升高，進(jìn)而性能下降。因此，熱阻測試、功率測試在半導(dǎo)體研發(fā)中至關(guān)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(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)，可測得器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，不但可以測得半導(dǎo)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(xiàn)，計算芯片熱流路徑上的縱向熱阻構(gòu)成，對器件熱可靠性設(shè)計、散熱問題解決、產(chǎn)品性能提升和長期可靠性至關(guān)重要。

 

半導(dǎo)體器件內(nèi)部熱阻構(gòu)成示意圖

 

目前，國內(nèi)外對單芯片內(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(fù)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(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(yùn)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(dǎo)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(dǎo)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(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試儀不同，T3Ster采用實時測量方法，能快速準(zhǔn)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(jié)上的壓降實現(xiàn)PN結(jié)溫度隨時間的變化規(guī)律。計算機(jī)通過接口插件與設(shè)備相連并對其進(jìn)行控制，試驗結(jié)果實時顯示，并由軟件進(jìn)行控制和后處理。結(jié)構(gòu)函數(shù)的計算利用NID（Networkidentificationbydeconvolution，反卷積網(wǎng)絡(luò)計算）方法，要求采集的試驗數(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)測量，在測量封裝的結(jié)溫時具有較高的精度。

 

T3Ster產(chǎn)品圖

 

SimcenterT3Ster設(shè)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(shè)備TSP（TemperatureSensorParameter熱相關(guān)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(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)溫測試，熱阻測試，結(jié)溫?zé)嶙铚y試，半導(dǎo)體熱特性測試；

 

 

參考文獻(xiàn)：

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