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1、一维传热路径下半导体器件结壳热阻瞬态双界面测试法目录1.范围42.参考标准53.专业名词与定义54.结壳热阻测试测试方法54.1瞬态冷却曲线测试热阻抗ZJC5结温测试5瞬态冷却曲线的记录6偏移校正7JC曲线8备注84.2热瞬态测试界面法步骤8测试原理8控温热沉9干接触ZJC曲线的测量10加导热胶或油脂的ZJC曲线测量10两ZJC曲线达到稳态后的最小差值10备注105热瞬态测试界面法的计算115.1初步评估115.2方法1:以Zjc曲线分离点计算JC12确定分离点12怎样选择值14评估的详细步骤145.3方法2：结构函数法16初步评估16评估的详细步骤166信息报告177参考文献187.1附件A
2、时间常数谱和积分结构函数的定义187.2附件B 从Zth函数获得时间常数谱257.3附件C FOSTER与CAUER RC网络模型之间的转换28前言本文已在JEDEC JC-15关于热性能的会议上作了充分准备.旨在详细规定从半导体的热耗散结到封装外壳表面的一维传热路径下,半导体器件结壳热阻的可重复性测量方法.一维传热也就是说,热流方向是直线的.但是很明显实际上垂直方向的热扩散是三维传热的.结壳热阻是半导体器件最重要的热性能参数之一.将半导体器件的表面与高性能的热沉相接触,结壳热阻说明了器件在最理想的冷却条件下热性能的极限.应在器件的数据手册中给出.值越小热性能越好.半导体器件结壳热阻传统的定义
3、是：将器件表面与水冷铜热沉相接触,直接测量结与壳的温度差,如MIL-883标准N1所述.壳温需用热电偶测量,很容易产生误差,测量的结果不具有可重复测量性.原因之一是器件的壳温分布不均匀,热电偶只测得与它相接触位置的壳温,这一点很可能不是壳温的最大值.另外一个原因是读取的壳温值偏低,热电偶不能充分与热沉绝热,热电偶测量点的热量会被热电偶引线和热沉导走.考虑到固定器件与热沉的压力会使分层不明显,可能引起更多的问题.还有一个系统误差是热沉中热电偶钻孔的影响.对于较小的器件,这一影响更明显.本文详细说明了半导体器件结壳热阻的测量方法,而且不需要用热电偶测量壳温.这种方法大大提高了测量的可重复性,同时保
4、证了企业间测量方法的一致性和数据的可比性.本文是半导体器件热性能JESD51系列标准N2的补充,应与JEDEDJESD51-1中描述的电学法一同使用.介绍结壳热阻 是衡量半导体器件从芯片表面到封装表面的热扩散能力的参量,其中封装表面与热沉相接触.JESD51-1将之定义为当半导体器件外壳与热沉良好接触以使其表面温度变化最小时,热源到离芯片峰值区最近的外壳表面的热阻.MIL833标准中给出的传统热电偶测量方法要求确定结温Tj,壳温Tc以与热耗散功率PH,并且器件外壳与热沉良好接触.结壳热阻采用下式计算： 1式1中指的是稳态热阻,因为它是在稳态条件下得到的,并且它取决于热流路径上的结壳温度差.该测
5、量方法的难点在于外壳与热沉紧密接触时,很难用热电偶精确测量封装体的壳温.因此不同的测量设备可能会得到不同的值.与其相反,本文描述的方法在热沉表面采用不同的冷却条件,是仅基于结温的瞬态测试.它无需知道壳温Tc,从而消除了Tc引入的误差.该方法仅仅取决于结温的测量.为保证与热沉良好的热接触也无需很大的压力.瞬态双界面TDI测试原理和过程t0时给半导体器件施加恒定功率PH,同时外壳与热沉良好接触,器件的热阻抗定义如下： 即：热阻抗等于结温随时间的变化量除以热耗散功率.即使外壳的冷却条件改变,对热阻抗也没有影响,除非与热沉接触的外壳开始升温.每次测量若接触热阻不同得到的稳态总热阻也不同,因此不同测量下
6、的热阻抗曲线将从外壳表面接触热阻的贡献点开始分离.瞬态测试法中,接触热阻不同的两次热阻抗测量可确定与热沉接触的外壳表面.两次测量中分离点处的热阻定义为.1. 范围本文详细说明了从半导体的热耗散结到封装外壳表面的一维传热路径下,将半导体器件外壳表面与外部理想热沉相接触,结壳热阻的测量方法这里指瞬态双界面法.本文中测量的热阻是,x表示封装外壳的散热面,通常为上表面x=top或下表面x=bot.2. 参考标准以下的标准文件在本文中以参考文献的形式出现,组成了本标准的条规.对于注明日期的参考文献,不采用任何补充版或修订版.不过,人们希望参与本标准协议的成员能够研究并采用参考标准的最近版本.对于未注明日
7、期的参考文献,采用最新的版本.N1 MIL-STD-883E, METHOD 1012.1, Thermal Characteristics of Integrated Circuits , 4 November 1980 N2 JESD51, Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages . This is the overview document for this series of specifications. N3 JESD51-1, Integrated Circuit Thermal Measurem
8、ent Method - Electrical Test Method N4 JESD51-4, Thermal Test Chip Guideline N5 JESD51-12, Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information N6 SEMI Test Method #G43-87, Test Method, Junction-to-Case Thermal Resistance Measurements of Moulded Plastic Packages N7 JESD51-13, Gl
9、ossary of thermal measurement terms and definitions 3. 专业名词与定义本标准中的专业名词与定义采用N7 JESD51-13.其他的专业名词与定义已在前文中给出.4. 结壳热阻测试测试方法1.1 瞬态冷却曲线测试热阻抗ZJC1.1.1 结温测试按照JESD51-1描述的方法测量待测器件DUT结温TJ,去掉加热功率PH后采集曲线冷却曲线.测试中温度敏感参数TSP不会受到加热电压和加热电流的影响,也不需要控制加热功率的大小.这种测试方法适用于大部分器件与热测试芯片.在测试每个待测器件的曲线之前都要先确定其K系数,K系数是芯片温度与温度敏感参数之间
10、的关系系数.原则上不建议采用加热曲线,但如果加热时间内加热功率PH保持恒定,芯片的温度敏感参数不受电子干扰,此方法同样适用.采用加热曲线必须记录结果数据.1.1.2 瞬态冷却曲线的记录首先给待测器件DUT施加恒定的加热电流IH,使其加热并达到热稳定状态,即芯片结温保持不变.如果在加热过程中,芯片没有独立的结构进行加热和测试以监测敏感温度参数,结温可以在动态模式下监测见JESD51-1或者给器件加热足够长的时间以使结温达到稳定.测试过程中由于待测器件与水冷热沉相接触见4.2节,大多数情况下100s的加热时间已经足够.控制和调整使器件达到热稳态的加热时间也可通过实验测试完成.当器件达到热稳态,记录
11、最终的加热电压VH和加热电流IH,切断加热电流或者将电流切换至测试电流IM,这会产生一个很大的功率差PH.通常IM相比于IH很小,可以忽略不计,测试电流IM产生的功率也可忽略不计.但测试原理中要求精确知道功率差PH.也就是说,器件的热功耗若考虑了PM由IM电流产生的功耗,该方法会更准确.加热功率差PH=PH-PM越大,测试的信噪比越大SNR,同时得到的热阻JC越精确.因而,在避免器件过热情况下,加热电流应尽可能大,同时PM应尽可能小,不过较大的IM会减少初始时刻的电子漂移见部分.t=0时刻的信号可使温度敏感参数TSP信号作为时间的函数从t=0开始记录直到冷却稳态.采样率应保证每个时间段内至少采
12、集50个点.根据待测器件的K系数,将TSP转换为结温TJ.图1给出了一个冷却曲线的例子.切断加热电流,在ZJC起始阶段不可避免地会受到电子干扰,因而使得开始时刻短时间内测得的信号无效.为了重建t=0时的结温TJ0,需要加一个偏移校正,参见N1的说明.图1 切断加热电流短时间内信号受电子干扰的冷却曲线的半对数图1.1.3 偏移校正由于在测试的初始阶段有电子干扰,去掉在一定的切断时间tcut内记录的信号点.这个时间段内的温度变化TJ不可忽略.在这段时间内,TJ与时间的平方根近似成线性关系,这样就可推导出t=0时的结温TJ0,如图2所示.对于材质均匀的半无限板也就是一块表面积无穷大保证一维热流与该表
13、面垂直和无穷厚的板,其表面加热功率密度恒定为见例1,当施加或切断加热功率时,表面温度升高/降低与加热/冷却时间的平方根成线性关系.3其中4c,和分别是材料的热容、密度和热导率.短时间内,硅芯片内部可认为是一维的热扩散,并且不受芯片底部边界条件的影响,所以半无限板模型适用于芯片表面的加热或冷却,试验已证明其正确性,如图2所示.所以初始温度TJ0可以通过与的关系得到.同时,芯片的面积也可通过方程3与斜率求出： A=Pktherm/m 5这种方法计算得到的芯片面积能够验证修正方法是否合理.1.1.4 ZJC曲线根据冷却曲线计算ZJC：ttcut61.1.5 备注1. 瞬态热阻抗常用于表征功率半导体器
14、件,记录冷却曲线的测试设备通常可实现.2. 如果待测器件有独立的结构可同时加热芯片和检测结温,也可以用加热曲线替代冷却曲线,但是必须保证加热时耗散功率PH保持恒定,其修正方法相同,公式6需作如下改变：ttcut73. 由于器件温度像电导率和热导率一样与材料属性有关,由冷却曲线和加热曲线分别得到的ZJC曲线存在微小差异,同样,计算的JC值也不同.主要原因是加热过程中耗散功率发生微小变化,采用冷却曲线可以避免这个问题.因此,采用加热曲线得到结壳热阻时需说明这一情况.1.2 热瞬态测试界面法步骤1.2.1 测试原理瞬态双界面测试法要求对同一个半导体器件在控温热沉上测量两次ZJC.第一次测量时器件与冷
15、却台热沉直接接触干接触,第二次测量时器件与热沉之间涂一层很薄的导热胶或油脂,如图3所示.第一次测量时,由于器件与热沉之间的接触面有一定的粗糙度,使得接触热阻增大,所以在某一时刻ts开始ZJC曲线存在明显的分离,如图4所示.由于热流进入热界面层时,两条ZJC曲线就开始分离,因此ZJCts在该点的值接近于方程1定义的稳态热阻JC.通过ZJC曲线分裂点可以估算得到JC.1.2.2 控温热沉待测器件应放置在控温热沉上,这样器件的主要散热面这里指外壳就与热沉表面接触.为了达到理想的冷却效果,热沉应良好导热,所以热沉必须由铜块组成,冷却液体通常为水通入铜块中的钻孔来维持恒温.通冷却液的孔离 上表面的距离最大
