專利名稱：結(jié)殼熱阻測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，尤其涉及半導(dǎo)體器件結(jié)殼熱阻測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
結(jié)殼熱阻是半導(dǎo)體器件性能參數(shù)的重要指標(biāo)，表征器件的散熱能力。在半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，散熱特性是必須考慮的一個(gè)重要因素。準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)殼熱阻對(duì)于改進(jìn)封裝和散熱設(shè)計(jì)，評(píng)估器件的工作極限有著重要的參考意義。
傳統(tǒng)的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法使用熱電偶測(cè)量器件的殼溫，由于熱電偶的端部與器件殼的接觸面存在一定溫度差，會(huì)導(dǎo)致熱電偶測(cè)得的溫度比實(shí)際殼溫偏小；同時(shí)，傳統(tǒng)方法要求將熱電偶放置在芯片的正下方以測(cè)得殼溫的最高值，但對(duì)于芯片數(shù)目和芯片位置不能確定的器件，則難以找到最高殼溫的準(zhǔn)確位置。因此，傳統(tǒng)器件結(jié)殼熱阻測(cè)試方法常常會(huì)過(guò)高估計(jì)器件的結(jié)殼熱阻。為了解決這個(gè)難題，最新的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD51-14中提出了針對(duì)單一散熱路徑的半導(dǎo)體器件的熱阻測(cè)量方法，該測(cè)試方法要求分別測(cè)試待測(cè)器件不涂導(dǎo)熱硅脂(以下稱為干接觸)和涂覆導(dǎo)熱硅脂(以下稱為濕接觸)條件下的瞬態(tài)升溫或降溫曲線，通過(guò)瞬態(tài)升溫或降溫曲線計(jì)算干接觸和濕接觸條件下的瞬態(tài)熱阻抗曲線，由于兩次測(cè)量過(guò)程中器件從結(jié)到殼的散熱路徑相同，而從殼到外界環(huán)境的散熱路徑不同，導(dǎo)致兩條瞬態(tài)熱阻抗曲線在器件殼的位置發(fā)生分離，因此，可以通過(guò)兩條瞬態(tài)熱阻抗曲線計(jì)算得到分離點(diǎn)曲線，再依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的分離判據(jù)即ε = 0.0045ff/°C.0JC+0.0O3計(jì)算結(jié)殼熱阻Θ兀。與該標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法相關(guān)的文獻(xiàn)包括:
[I] Heinz Pape, Dirk Schweitzer, et al.Development of a Standardfor Transient Measurement of Junction-To-Case Thermal Resistance[J].Microelectronics Reliability, 2012,52 (7): 1272-1278.
[2]Dirk Schweitzer, Heinz Pape,et al.How to Evaluate Transient DualInterface Measurements of the Rth-JC of Power Semiconductor Packages[C].Semi conductor Thermal Measurement and Management Sympos ium,2009.SEM1-THERM2009.25th Annual IEEE,2009:172-179.
[3] Dirk Schweitzer, Heinz Pape, et al.Transient Dual InterfaceMeasurement - A New JEDEC Standard for the Measurement of the Junct ion-to-CaseThermal Resistance[C].Semiconductor Thermal Measurement and ManagementSymposium (SEM1-THERM), 2011 27th Annual IEEE, 2011:22-229.
使用JESD51-14標(biāo)準(zhǔn)中提出的最新的半導(dǎo)體器件結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，與傳統(tǒng)方法相比，不需要測(cè)量器件的殼溫就能夠得到器件的熱阻值，避免了由于殼溫測(cè)量不準(zhǔn)確造成的誤差。然而，無(wú)論是JESD51-14標(biāo)準(zhǔn)還是上述文獻(xiàn)中，都沒(méi)有考慮封裝材料溫度非線性對(duì)于測(cè)量的影響。材料的溫 度非線性是指，封裝材料的熱導(dǎo)率和熱容并非恒定的值，而是隨著溫度的變化而變化。如果在測(cè)試過(guò)程中不考慮封裝材料的溫度非線性，會(huì)導(dǎo)致干接觸和濕接觸條件下獲得的瞬態(tài)熱阻抗曲線提前分離，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致熱阻值較真實(shí)值偏小，偏小的程度與器件所使用的材料熱導(dǎo)率和熱容受溫度影響的變化程度相關(guān)。尤其對(duì)于功率半導(dǎo)體模塊，如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，這些產(chǎn)品使用硅、陶瓷、銅等溫度非線性明顯的封裝材料，同時(shí)具有較大的散熱面積和較小的結(jié)殼熱阻，瞬態(tài)熱阻抗曲線的提前分離會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的結(jié)殼熱阻明顯偏小甚至得到錯(cuò)誤的測(cè)量值。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)材料溫度非線性對(duì)于半導(dǎo)體器件結(jié)殼熱阻測(cè)試帶來(lái)的誤差，提出一種結(jié)殼熱阻測(cè)試方法。本發(fā)明能夠更準(zhǔn)確的結(jié)殼熱阻測(cè)量值。
一種結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，包括如下步驟:
(I)測(cè)量干接觸條件下待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片的瞬態(tài)降溫曲線；
(2)測(cè)量濕接觸條件下待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片的瞬態(tài)降溫曲線；
(3)計(jì)算干接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線和濕接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線溫度變化幅度的差Λ T ；
(4)將測(cè)試設(shè)備中的恒溫散熱冷板溫度升高AT，再次測(cè)量濕接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線；
(5)使用步驟(I)測(cè)得的干接觸瞬態(tài)降溫曲線和步驟(4)測(cè)得的濕接觸瞬態(tài)降溫曲線，計(jì)算結(jié)殼熱阻。
進(jìn)一步地，步驟(5)所述的計(jì)算結(jié)殼熱阻方法包括如下步驟:
(5.1)通過(guò)步驟(I)和步驟(4)得到的瞬態(tài)降溫曲線計(jì)算瞬態(tài)熱阻抗曲線；
(5.2)通過(guò)步驟(5.1)得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線計(jì)算分離點(diǎn)曲線；
(5.3)通過(guò)步驟(5.2)分離點(diǎn)曲線使用分離判據(jù)計(jì)算結(jié)殼熱阻。
與現(xiàn)有測(cè)試方法相比，本發(fā)明能夠保證在測(cè)量瞬態(tài)降溫曲線時(shí)，干接觸和濕接觸兩種測(cè)試條件下的待測(cè)器件結(jié)到殼的溫度分布基本一致，從而避免了材料非線性導(dǎo)致的瞬態(tài)熱阻抗曲線提前分離，因此，本發(fā)明能夠得到更為準(zhǔn)確的熱阻測(cè)試結(jié)果。


圖1為本發(fā)明結(jié)殼熱阻測(cè)試方法具體實(shí)施方式
的流程圖2為本發(fā)明計(jì)算結(jié)殼熱阻方法具體實(shí)施方式
的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明結(jié)殼熱阻測(cè)試方法包括如下步驟:
(I)測(cè)量干接觸條件下待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片的瞬態(tài)降溫曲線；
(2)測(cè)量濕接觸條件下待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片的瞬態(tài)降溫曲線；
(3)計(jì)算干接觸條件下待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片的瞬態(tài)降溫曲線和濕接觸條件下待測(cè)器件芯片的瞬態(tài)降溫曲線溫度變化幅度的差Λ T ；
(4)將測(cè)試設(shè)備中的恒溫散熱冷板溫度升高AT，再次測(cè)量濕接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線；
(5)使用步驟(I)測(cè)得的干接觸降溫曲線和步驟(4)測(cè)得的濕接觸降溫曲線，計(jì)算結(jié)殼熱阻。
進(jìn)一步地，步驟(5)所述的計(jì)算結(jié)殼熱阻方法包括如下步驟:
(5.1)通過(guò)步驟(I)和步驟(4)得到的瞬態(tài)降溫曲線計(jì)算瞬態(tài)熱阻抗曲線；
(5.2)通過(guò)步驟(5.1)得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線計(jì)算分離點(diǎn)曲線；
(5.3)通過(guò)步驟(5.2)分離點(diǎn)曲線使用分離判據(jù)計(jì)算結(jié)殼熱阻。
如圖1所示，所述結(jié)殼熱阻測(cè)試方法的具體步驟如下:
步驟1:測(cè)量干接觸下待測(cè)半導(dǎo)體器件芯片的瞬態(tài)降溫曲線。將待測(cè)器件安裝在恒溫散熱底板上，恒溫散熱底板溫度設(shè)為T1，不涂導(dǎo)熱硅脂。對(duì)待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片施加加熱電流I，測(cè)得加熱功率為ptoy。待熱平衡后，切斷加熱電流I并降溫至T1,同時(shí)測(cè)量整個(gè)降溫過(guò)程中待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片的瞬態(tài)降溫曲線Ttyl (t)。獲得瞬態(tài)降溫曲線I的溫度變化幅度Λ T1，計(jì)算公式為:
Δ T1=測(cè)量起始溫度-測(cè)量結(jié)束溫度T1
步驟2:測(cè)量濕接觸條件待測(cè)半導(dǎo)體器件芯片的瞬態(tài)降溫曲線。保持恒溫散熱底板溫度為T1，在待測(cè)器件底面涂以導(dǎo)熱硅脂。對(duì)待測(cè)器件施加加熱電流I，此加熱電流I的值和步驟I干接觸法所加的電流I的大小和時(shí)間相等。待熱平衡后，切斷加熱電流并降溫至T1，測(cè)量瞬態(tài)降溫曲線Ttiml (t)。獲得瞬態(tài)降溫曲線2的溫度變化幅度為Λ T2，計(jì)算公式為:
Δ T2=測(cè)量起始溫度-測(cè)量結(jié)束溫度T1
干接觸和濕接觸條件下的降溫溫度T1的數(shù)值相等。
步驟3:計(jì)算瞬態(tài)降溫曲線I和瞬態(tài)降溫曲線2的溫度變化幅度之差，即有:
Δ T= Δ T1- Δ T2
步驟4:將恒溫散熱底板的溫度設(shè)為T2，T2=T1+ Δ T0對(duì)待測(cè)器件施加加熱電流I，測(cè)得加熱功率為ptim。待熱平衡后，切斷加熱電流并降溫至T2，測(cè)量瞬態(tài)降溫曲線Ttim2(t)。
步驟5:利用干接觸條件下 測(cè)得的瞬態(tài)降溫曲線Ttyl (t)和濕接觸條件下測(cè)得的瞬態(tài)降溫曲線Ttim2 (t)，依據(jù)圖2所示的步驟測(cè)試器件的結(jié)殼熱阻值。
如圖2所示，所述步驟5使用干接觸條件下測(cè)得的瞬態(tài)降溫曲線Tteyl (t)和濕接觸條件下測(cè)得的瞬態(tài)降溫曲線Ttim2 (t)計(jì)算結(jié)殼熱阻的測(cè)試步驟包括:
步驟501:通過(guò)瞬態(tài)降溫曲線計(jì)算瞬態(tài)熱阻抗曲線，計(jì)算公式為:
權(quán)利要求
1.一種結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的測(cè)試方法包括以下步驟: (1)測(cè)量干接觸條件下待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片的瞬態(tài)降溫曲線； (2)測(cè)量濕接觸條件下待測(cè)半導(dǎo)體器件的芯片的瞬態(tài)降溫曲線； (3)計(jì)算干接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線和濕接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線溫度變化幅度的差Λ T ； (4)將測(cè)試設(shè)備中的恒溫散熱冷板溫度升高AT，再次測(cè)量濕接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線.(5)使用步驟(I)測(cè)得的干接觸瞬態(tài)降溫曲線和步驟(4)測(cè)得的濕接觸瞬態(tài)降溫曲線計(jì)算結(jié)殼熱阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的步驟(5)計(jì)算結(jié)殼熱阻方法包括如下步驟: (5.1)通過(guò)所述的步驟(I)和步驟(4)得到的瞬態(tài)降溫曲線計(jì)算瞬態(tài)熱阻抗曲線； (5.2)通過(guò)步驟(5.1)得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線計(jì)算分離點(diǎn)曲線； (5.3)通過(guò)步驟(5.2)分離點(diǎn)曲線使用分離判據(jù)計(jì)算結(jié)殼熱阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的步驟(5.1)采用以下公式計(jì)算瞬態(tài)熱阻抗曲線:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的步驟(5.2)通過(guò)瞬態(tài)熱阻抗曲線計(jì)算分離點(diǎn)曲線的方法為:先進(jìn)行對(duì)數(shù)時(shí)間變換，即令z = ln(t), a(z)=Zth (t),即有 adry(z) = Zth_dry (t)和 atim(z) = Zth_tim(t);分離點(diǎn)曲線用公式表示:δ = Δ (da/dz) / Δ θ 式中，Δ (da/dz) = dadry/dz-datim/dz, δ為分離點(diǎn)函數(shù)，da/dz為瞬態(tài)熱阻抗曲線函數(shù)Zth對(duì)對(duì)數(shù)時(shí)間ζ求導(dǎo)，Λ Θ為干接觸和濕接觸條件下穩(wěn)態(tài)熱阻的差。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的步驟(5.3)中所述的分離判據(jù)為 ε = 0.0045ff/°C.Θ m+0.003，所述的判據(jù) ε = 0.0045ff/°C.Θ JC+0.003 與分離點(diǎn)曲線δ = A (da/dz)/Δ Θ的交點(diǎn)，即為結(jié)殼熱阻的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的步驟(I)干接觸下的瞬態(tài)降溫曲線的方法是:將待測(cè)器件安裝在恒溫散熱底板上，恒溫散熱底板溫度設(shè)為T1，不涂導(dǎo)熱硅脂；對(duì)待測(cè)器件施加加熱電流I，測(cè)得加熱功率為Ptoy;待熱平衡后，切斷加熱電流I并降溫至T1，測(cè)量瞬態(tài)降溫曲線Tteyl (t);獲得瞬態(tài)降溫曲線(I)的溫度變化幅度Λ T1，計(jì)算公式為: Δ T1=測(cè)量起始溫度-測(cè)量結(jié)束溫度!\。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的步驟(2)濕接觸條件待測(cè)器件的瞬態(tài)降溫曲線的方法是:保持恒溫散熱底板溫度為T1，在待測(cè)器件底面涂以導(dǎo)熱硅脂；對(duì)待測(cè)器件施加加熱電流I，此加熱電流I的值和步驟(I)干接觸法所加的電流I的大小和時(shí)間相等；待熱平衡后，切斷加熱電流并降溫至T1，測(cè)量瞬態(tài)降溫曲線Ttiml⑴;獲得瞬態(tài)降溫曲線(2)的溫度變化幅度為Λ T2，計(jì)算公式為: Δ T2=測(cè)量起始溫度-測(cè)量結(jié)束溫度!\。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的步驟(3)計(jì)算瞬態(tài)降溫曲線(I)和瞬態(tài)降溫曲線(2)的溫度變化幅度之差Λ T的公式為:Δ T= Δ T1- Δ T2 式中:Λ T為瞬態(tài)降溫曲線(I)和瞬態(tài)降溫曲線(2)的溫度變化幅度之差，Λ Tu瞬態(tài)降溫曲線(I)的溫度變化幅度，Δ T2為瞬態(tài)降溫曲線(2)的溫度變化幅度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，其特征在于，所述的步驟(4)的具體操作步驟為:將恒溫散熱底板的溫度設(shè)為T2，T2=T1+ Δ T ;對(duì)待測(cè)器件施加加熱電流I，測(cè)得加熱功率為Ptim ;待熱平衡后，切 斷加熱電流并降溫至T2，測(cè)量瞬態(tài)降溫曲線Ttim2 (t)。
全文摘要
一種結(jié)殼熱阻測(cè)試方法，包括以下步驟(1)測(cè)量干接觸條件下待測(cè)器件的瞬態(tài)降溫曲線；(2)測(cè)量濕接觸條件下待測(cè)器件的瞬態(tài)降溫曲線；(3)計(jì)算干接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線和濕接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線溫度變化幅度的差△T；(4)將測(cè)試設(shè)備中的恒溫散熱冷板溫度升高△T，再次測(cè)量濕接觸條件下的瞬態(tài)降溫曲線；(5)使用步驟(1)測(cè)得的干接觸瞬態(tài)降溫曲線和步驟(4)測(cè)得的濕接觸瞬態(tài)降溫曲線計(jì)算結(jié)殼熱阻。
文檔編號(hào)G01N25/20GK103175861SQ20131005431
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月20日
發(fā)明者仇志杰, 張瑾, 溫旭輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所