用于半導(dǎo)體器件的熱阻測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的熱阻測試方法，包括如下步驟：1）根據(jù)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，確定主要導(dǎo)熱通道，在主要導(dǎo)熱通道的外殼表面設(shè)置良好接觸的恒溫平面；2）給半導(dǎo)體器件加載一定的功率，待所述半導(dǎo)體器件達(dá)到熱平衡以后，切換為向半導(dǎo)體器件加載測量功率，通過實(shí)時測量半導(dǎo)體器件的溫敏參數(shù)得到測量半導(dǎo)體器件的結(jié)溫，進(jìn)而得到半導(dǎo)體器件的瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線；3）根據(jù)所述瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線確定半導(dǎo)體器件結(jié)到殼的熱阻。本發(fā)明通過半導(dǎo)體器件的襯底的P區(qū)和N區(qū)加載加熱功率，利用半導(dǎo)體器件中已有的PN結(jié)組件測量結(jié)溫，因此對于不具有溫敏二極管的集成電路產(chǎn)品和非功率型的集成電路產(chǎn)品，也可以準(zhǔn)確測量其瞬態(tài)熱阻。
【專利說明】用于半導(dǎo)體器件的熱阻測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的熱阻測試方法，特別適合集成電路產(chǎn)品的瞬態(tài)熱阻測試。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度是影響半導(dǎo)體器件的特性的重要因素。器件工作時，過高的結(jié)溫會對器件產(chǎn)生很多不良的影響，如性能降低，可靠性降低，壽命縮短等。隨著器件向小尺寸和高集成度的發(fā)展，在有限的空間上承載的功率密度越來越大。這對半導(dǎo)體器件工作溫度的研究，提出了越來越迫切的要求。首先要準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)中各電子元器件的熱阻值，才能針對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的熱分析及熱管理。
[0003]對于宇航用集成電路來說，其所工作的太空環(huán)境是一個接近真空的環(huán)境，集成電路器件散熱的主要方式是熱輻射和熱傳導(dǎo)，所以測試結(jié)到殼的熱阻意義更大；另一方面，結(jié)到殼的熱阻表征了某種封裝工藝的熱特性，所以結(jié)到殼的熱阻是集成電路封裝中非常重要的熱參數(shù)。隨著國產(chǎn)集成電路在宇航型號上發(fā)揮的作用越來越大，對其可靠性的要求也越來越高，而準(zhǔn)確快捷的測量其結(jié)到殼的熱阻及其主要熱傳導(dǎo)路徑上的熱學(xué)參數(shù)是保證其可靠性的關(guān)鍵步驟。
[0004]目前針對分立器件，國內(nèi)的熱阻測試技術(shù)發(fā)展相對比較完善，而針對超大規(guī)模集成電路的熱阻的測試技術(shù)發(fā)展還比較慢，主要原因是超大規(guī)模集成電路一般功耗較小，其熱特性沒有作為主要的考核指標(biāo)，而隨著集成度的提高，熱密度得到了提升，同時在宇航應(yīng)用中受到空間及無對流的限制，研究電路熱阻特性的需求越來越強(qiáng)烈，而目前國內(nèi)的超大規(guī)模集成電路的熱阻主要是通過仿真技術(shù)并參考國外同類型產(chǎn)品得到，無法保證熱阻特性的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響型號板級系統(tǒng)的評估。
[0005]根據(jù)發(fā)熱結(jié)的不同，目前集成電路封裝結(jié)到殼的熱阻測試方法主要有兩種，一種是基于熱阻測試芯片的測試方法；另一種是在集成電路內(nèi)部具有溫敏二極管的情況下，直接使用集成電路產(chǎn)品進(jìn)行熱阻測試的方法，但該方法局限于能夠承受較大功耗的功率器件。使用基于熱阻測試芯片的方法過程較為煩瑣，尤其是帶腔體的陶瓷封裝的集成電路，這種形式的封裝對于熱阻測試芯片的尺寸要求非?？量?。另一個原因就是使用熱阻測試芯片進(jìn)行熱阻測試時，需要單獨(dú)進(jìn)行封裝，這嚴(yán)重影響了的測試的效率，并且非常不適合對集成電路熱阻特性進(jìn)行百分之百的篩選。直接使用集成電路產(chǎn)品進(jìn)行熱阻測試的方法，在使用范圍上具有一定的局限性。尤其是國產(chǎn)的大規(guī)模集成電路，由于應(yīng)用可靠性、技術(shù)等原因，大部分的電路內(nèi)部并沒有集成專門的溫敏二極管，這給熱阻的測試造成了很大的障礙。
[0006]基于電學(xué)法的瞬態(tài)熱響應(yīng)測試技術(shù)在集成電路結(jié)到殼的熱學(xué)參數(shù)測試方面具有較大的優(yōu)勢，但對于不具有溫敏二極管的集成電路產(chǎn)品和非功率型的集成電路產(chǎn)品，該方法存在局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]為了解決集成電路產(chǎn)品無法直接使用基于電學(xué)法的瞬態(tài)熱響應(yīng)測試技術(shù)進(jìn)行熱學(xué)參數(shù)測試的問題，本申請?zhí)峁┝艘环N半導(dǎo)體器件的熱阻測試方法，其特征在于包括如下步驟:I)根據(jù)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，確定主要導(dǎo)熱通道，在主要導(dǎo)熱通道的外殼表面設(shè)置良好接觸的恒溫平面；2)給半導(dǎo)體器件加載一定的功率，待所述半導(dǎo)體器件達(dá)到熱平衡以后，切換為向半導(dǎo)體器件加載測量功率，通過實(shí)時測量半導(dǎo)體器件的溫敏參數(shù)得到測量半導(dǎo)體器件的結(jié)溫，進(jìn)而得到半導(dǎo)體器件的瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線；3)根據(jù)所述瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線確定半導(dǎo)體器件結(jié)到殼的熱阻。
[0008]優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體器件是批量生產(chǎn)的集成電路產(chǎn)品。這意味著本方法不使用熱阻測試芯片，而是直接使用集成電路產(chǎn)品進(jìn)行加熱并測量溫敏參數(shù)，進(jìn)而得到熱阻的方法。
[0009]優(yōu)選的，向半導(dǎo)體器件加載一定功率的步驟如下:向所述半導(dǎo)體器件的襯底的P區(qū)和N區(qū)分別加載正、負(fù)電壓，以產(chǎn)生足夠大的功率。集成電路的整個襯底的P區(qū)和N區(qū)構(gòu)成一個結(jié)面積特別大的PN結(jié)，由于其結(jié)面積特別大，故其可以承載較大的電流。這樣的話，即使是非功率型的半導(dǎo)體器件，也可以進(jìn)行熱阻測試。
[0010]優(yōu)選的，所述溫敏參數(shù)為半導(dǎo)體器件中PN結(jié)組件的正向?qū)妷骸y量半導(dǎo)體器件中的PN結(jié)組件的結(jié)電壓，通過其溫敏系數(shù)換算得到半導(dǎo)體器件的結(jié)溫。
[0011]優(yōu)選的，K系數(shù)可通過恒溫槽等方法測量得到。
[0012]優(yōu)選的，所述PN結(jié)組件是半導(dǎo)體器件中專門設(shè)置的溫敏二極管，或者所述PN結(jié)組件選擇如下組中的一個或多個:半導(dǎo)體器件襯底的隔離二極管，輸出控向二極管，ESD保護(hù)二極管，以及襯底的N區(qū)和P區(qū)構(gòu)成的二極管結(jié)構(gòu)。在集成電路內(nèi)部，即使沒有專門的溫敏二極管，也會有一些其他典型的PN結(jié)組件。因此該測試方法可以適用于沒有專門溫敏二極管的集成電路產(chǎn)品。
[0013]優(yōu)選的，所述瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線是半導(dǎo)體器件在降溫或加熱過程的瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線。
[0014]優(yōu)選的，根據(jù)所述瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線確定半導(dǎo)體器件結(jié)到殼的熱阻的方法如下:在被測的半導(dǎo)體器件與恒溫平面的接觸界面上施加導(dǎo)熱膠和不施加導(dǎo)熱膠的兩種情況下，分別測試半導(dǎo)體器件的瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線，根據(jù)兩種情況下瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線的不同，確定結(jié)到殼的熱阻。
[0015]本申請能夠?qū)㈦妼W(xué)法的瞬態(tài)熱響應(yīng)測試技術(shù)應(yīng)用到集成電路產(chǎn)品結(jié)到殼的熱阻測試方面，不需要制作熱阻測試芯片，也不需要對集成電路產(chǎn)品進(jìn)行破壞性改變，適合對集成電路熱阻特性進(jìn)行百分之百的篩選；對于不具有專門的溫敏二極管和非功率型的集成電路產(chǎn)品也可以測量，應(yīng)用廣泛。因此本申請的熱阻測試方法具有很大的優(yōu)勢。
[0016]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1:半導(dǎo)體器件的福斯特?zé)嶙?、熱容網(wǎng)絡(luò)模型的示意圖。
[0018]圖2:集成電路的襯底結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0019]圖3:根據(jù)本發(fā)明的測試裝置的示意圖。
[0020]圖4:雙界面法的典型熱阻抗曲線的示意圖。
[0021]圖5:雙界面法的典型結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線?！揪唧w實(shí)施方式】
[0022]熱阻是指熱流流過導(dǎo)熱體時所受到的阻力。對于半導(dǎo)體器件來講，在其工作時要施加一定的功率(特別是功率器件)，這一功率的絕大部分被轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致器件溫升。芯片上的熱量通過封裝材料傳遞到外殼，并進(jìn)一步傳遞到周圍的空氣環(huán)境(對于功率比較大的器件，還有會散熱器)。熱阻的單位為。C /W或K/W，其含義每增加IW功率時，器件的芯片結(jié)溫和熱參考點(diǎn)(環(huán)境溫度或器件殼溫)之間所產(chǎn)生的溫差。
[0023]根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)N0.51_1，半導(dǎo)體器件的熱阻定義如式I所示:
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件的熱阻測試方法，其特征在于包括如下步驟: 1)根據(jù)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，確定主要導(dǎo)熱通道，在主要導(dǎo)熱通道的外殼表面設(shè)置良好接觸的恒溫平面； 2)給半導(dǎo)體器件加載一定的功率，待所述半導(dǎo)體器件達(dá)到熱平衡以后，切換為向半導(dǎo)體器件加載測量功率，通過實(shí)時測量半導(dǎo)體器件的溫敏參數(shù)得到測量半導(dǎo)體器件的結(jié)溫，進(jìn)而得到半導(dǎo)體器件的瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線； 3)根據(jù)所述瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線確定半導(dǎo)體器件結(jié)到殼的熱阻。
2.如權(quán)利要求1所述的熱阻測試方法，其特征在于:所述半導(dǎo)體器件是批量生產(chǎn)的集成電路產(chǎn)品。
3.如權(quán)利要求1所述的熱阻測試方法，其特征在于:步驟2)中向半導(dǎo)體器件加載一定功率的步驟如下:向所述半導(dǎo)體器件的襯底的P區(qū)和N區(qū)分別加載正、負(fù)電壓，以產(chǎn)生足夠大的功率。
4.如權(quán)利要求1所述的熱阻測試方法，其特征在于:所述溫敏參數(shù)為半導(dǎo)體器件中PN結(jié)組件的正向?qū)妷骸?br> 5.如權(quán)利要求4所述的熱阻測試方法，其特征在于:步驟2)中測量半導(dǎo)體器件的結(jié)溫的方法如下:測量半導(dǎo)體器件中的PN結(jié)組件的正向?qū)妷?，通過其K系數(shù)換算得到半導(dǎo)體器件的結(jié)溫。
6.如權(quán)利要求5所述的熱阻測試方法，其特征在于:所述K系數(shù)可通過恒溫槽測量得到。
7.如權(quán)利要求4或5所述的熱阻測試方法，其特征在于:所述PN結(jié)組件是半導(dǎo)體器件中專門設(shè)置的溫敏二極管。
8.如權(quán)利要求4或5所述的熱阻測試方法，其特征在于:所述PN結(jié)組件選擇如下組中的一個或多個:半導(dǎo)體器件襯底的隔離二極管，輸出控向二極管，ESD保護(hù)二極管，以及襯底的N區(qū)和P區(qū)構(gòu)成的二極管結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的熱阻測試方法，其特征在于:所述瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線是半導(dǎo)體器件在降溫或加熱過程的瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線。
10.如權(quán)利要求1所述的熱阻測試方法，其特征在于:步驟3)根據(jù)所述瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線確定半導(dǎo)體器件結(jié)到殼的熱阻的方法如下:在被測的半導(dǎo)體器件與恒溫平面的接觸界面上施加導(dǎo)熱膠和不施加導(dǎo)熱膠的兩種情況下，分別測試半導(dǎo)體器件的瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線，根據(jù)兩種情況下瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線的不同，確定結(jié)到殼的熱阻。
【文檔編號】G01R31/26GK103792476SQ201410022216
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】張紅旗, 唐章東, 王征, 寧永成, 張延偉, 焦景勇, 張洪碩, 曹玉生 申請人:中國空間技術(shù)研究院