一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，該方法不用加工專門的熱阻測試芯片，對被測的集成電路根據(jù)芯片的特性建立熱阻測試的加熱單元和溫度敏感單元，進行熱阻測試，被測的集成電路包括兩組或兩組以上的電源和地回路，將被測集成電路的外圍電源與地之間的隔離二極管作為溫度敏感單元，將被測集成電路的內(nèi)核電源與地之間的隔離二極管作為加熱單元，采用T3Ster熱阻測試儀進行測試，本發(fā)明方法使集成電路封裝結(jié)到殼的熱阻測試不再需要專用的熱阻測試芯片，有效的簡化了熱阻測試的步驟，大大提高了測試的效率。
【專利說明】一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型的超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，屬于集成電路封裝測試領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]一直以來集成電路的熱阻測試都是依靠制作專門的熱測試芯片來完成的。在此芯片上包含加熱單元和溫度敏感測量單元，如圖1所示為熱阻芯片測試原理示意圖，首先在加熱單元上施加一定的功率，使整個芯片發(fā)熱，然后對溫度敏感單元電壓與溫度的關(guān)系進行測量，利用公式即可計算出熱阻。
[0003]根據(jù)發(fā)熱結(jié)構(gòu)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)品進行熱阻測試的方法。熱阻芯片也是一種集成電路的熱學(xué)簡化模型，但是要使這個模型盡可能準(zhǔn)確也需要大量的工作，并且需要制作專門的芯片。對于不設(shè)計和生產(chǎn)芯片的封測廠來說，熱阻芯片是最好的比較不同封裝熱特性的方法。但這個過程周期長而且成本比較高，且隨著芯片規(guī)模的增大，熱阻芯片表面溫度分布不均勻，而且加熱面積也很有限，對于超大規(guī)模和特大規(guī)模集成電路來說熱阻芯片的設(shè)計難度會比較大。另一個原因就是使用熱阻測試芯片進行熱阻測試時，需要單獨進行設(shè)計、流片和封裝，這嚴(yán)重影響了測試的效率，并且不能對集成電路熱阻特性進行百分之百的篩選。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，該方法對待測的集成電路根據(jù)芯片的工藝結(jié)構(gòu)選擇熱阻測試中的加熱單元和溫度敏感單元，使集成電路封裝結(jié)到殼的熱阻測試不再需要專用的熱阻測試芯片，有效的簡化了熱阻測試的步驟，提高了測試的效率。
[0005]本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0006]一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，包括如下步驟:
[0007]步驟(一)、將T3Ster熱阻測試儀開機，設(shè)定T3Ster熱阻測試儀的測量模式為二極管模式，兩端的定義是A為正和C為地，所述被測的集成電路包括兩組或兩組以上的電源和地回路，將所述被測集成電路的外圍電源與地之間的隔離二極管作為溫度敏感單元，然后將所述被測集成電路外圍的所有電源管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的C端，外圍的所有地管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的A端；
[0008]步驟(二)、測試所述被測集成電路的外圍電源與地之間的隔離二極管兩端的伏安特性，并確定測試電流；
[0009]步驟(三)、在T3Ster熱阻測試儀的計算機上啟動T3Ster熱阻測試軟件，將T3Ster熱阻測試儀的溫控油槽打開，通過T3Ster熱阻測試軟件將所述溫控油槽啟動，并設(shè)置溫度范圍，將被測集成電路放入溫控油槽中，在所述設(shè)置的溫度范圍內(nèi)測量溫度敏感單元的K系數(shù)；
[0010]步驟(四)、將被測集成電路的芯片粘接面所在的外殼平面和T3Ster熱阻測試儀的恒溫平臺緊密接觸，在T3Ster熱阻測試儀上利用通氣的壓力裝置頂緊被測集成電路；
[0011]步驟(五)、將所述被測集成電路的內(nèi)核電源與地之間的隔離二極管作為加熱單元，然后將被測集成電路的內(nèi)核回路中所有電源管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的加熱恒流源的負(fù)端，所有地管腳接到加熱恒流源的正端，對所述隔離二極管兩端的伏安特性進行測試，確定正向壓降；
[0012]步驟(六)、選擇被測集成電路實際工作時的最大功率作為加熱功率，與步驟(五)中測得的正向壓降相除即得到需要施加的加熱電流，將加熱電流施加在所述加熱單元上，當(dāng)加熱單元兩端的壓降不再發(fā)生改變即達(dá)到熱平衡狀態(tài)；
[0013]步驟(七)、待達(dá)到熱平衡狀態(tài)以后，停止施加在被測集成電路上的加熱電流，并對所述溫度敏感單元的正向?qū)▔航颠M行記錄，直致達(dá)到新的熱平衡狀態(tài)停止記錄；T3Ster熱阻測試儀自動記錄被測集成電路的冷卻曲線，所述冷卻曲線的縱坐標(biāo)是電壓的變化值，橫坐標(biāo)是時間的對數(shù)坐標(biāo)；
[0014]步驟(八)、將被測集成電路的芯片粘接面所在的外殼平面涂上導(dǎo)熱硅脂，將所述外殼平面與T3Ster熱阻測試儀的恒溫臺緊密接觸，重復(fù)步驟(五)一(七)，再次得到被測集成電路的冷卻曲線；
[0015]步驟(九)、由所述兩次得到的冷卻曲線進行計算，將兩條冷卻曲線導(dǎo)入上T3Ster熱阻測試儀的分析軟件中的結(jié)構(gòu)函數(shù)計算模塊，計算得到被測集成電路結(jié)到殼熱阻。
[0016]在上述超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法中，步驟(二)中確定的測試電流為隔離二極管兩端的伏安特性的拐點電流。
[0017]在上述超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法中，步驟(三)中設(shè)置的溫度范圍為 30°C -85°C。
[0018]在上述超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法中，步驟(三)中在T3Ster熱阻測試儀上利用通氣的壓力裝置頂緊被測集成電路，壓力裝置的壓力為2-3MPa。
[0019]在上述超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法中，若所述被測的集成電路僅包括一組電源和地回路，將電源與地之間的隔離二極管同時作為加熱單元和溫度敏感單元，按照所述步驟(一)?(九)進行測試。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
[0021](I)、本發(fā)明提出了一種全新的超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，該方法不用加工專門的熱阻測試芯片，對待測的集成電路根據(jù)芯片的工藝結(jié)構(gòu)選擇熱阻測試中的加熱單元和溫度敏感單元，在與實際應(yīng)用功率基本相同的條件下進行熱阻測試，該方法克服了傳統(tǒng)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，對于熱阻測試芯片工藝，加熱和溫敏模型要求苛刻的缺陷，使得集成電路封裝結(jié)到殼的熱阻測試不再需要專用的熱阻測試芯片，有效的簡化了熱阻測試的步驟，大大提高了測試的效率；
[0022](2)、本發(fā)明提出的全新的超大規(guī)模集成電路加熱模型，解決復(fù)雜集成電路難以選擇加熱單元的問題，該方法中采用集成電路內(nèi)核部分電源與地之間的隔離二極管作為加熱單元，選擇外圍部分電源與地之間的隔離二極管作為溫度敏感單元，使集成電路封裝結(jié)到殼的熱阻測試不再需要專用的熱阻測試芯片，有效的簡化了熱阻測試的步驟，提高了測試的效率；
[0023](3)、本發(fā)明熱阻測試方法在T3Ster熱阻測試儀上即可完成，方法過程簡單、操作方便、易于實現(xiàn)，具有較強的實用性。
【專利附圖】

【附圖說明】[0024]圖1為熱阻芯片測試原理不意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明電源地之間隔離結(jié)縱向結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明待測集成電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明使用電源地隔離二極管進行測試的示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明待測集成電路結(jié)到殼熱阻測試流程圖；
[0029]圖6為本發(fā)明實施例中K系數(shù)的測量曲線；
[0030]圖7為本發(fā)明實施例中計算得到的兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；
[0031]圖8為本發(fā)明實施例中結(jié)到殼熱阻計算曲線。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述:
[0033]結(jié)到殼熱阻是指集成電路中結(jié)到封裝殼體上參考點的溫差與功耗之比。公式表達(dá)為:
[0034]R Θ = (Tj-Tc) /P(I)
[0035]其中Tj、T。單位為。C，P單位為W，R Θ為。C /W ；TC是指芯片粘接面所在的封裝外殼的溫度，為了測試的準(zhǔn)確性會將此外殼面安裝在恒溫控制扳上并用一定的壓力裝置頂緊。
[0036]T1是芯片結(jié)區(qū)的平均溫度，但鑒于目前工藝下的集成電路一般有3層以上的金屬層，結(jié)區(qū)被嚴(yán)重遮擋很難測到其溫度。此處采用PN結(jié)的溫度敏感特性間接測量其溫度，具體的原理是:
[0037]PN結(jié)正向壓降受兩個因素的影響:正向電流(If)和結(jié)溫(Tj)。在電流恒定的情況下，正向壓降變化量與結(jié)溫變化量成正比，也即ΛΤ=Κ*Λν。顯然電壓的改變就可以轉(zhuǎn)換為結(jié)溫的改變，根據(jù)熱阻的定義和以上的電學(xué)溫度關(guān)系可得:
[0038]R θ = Δ T/ Δ P=K Δ V/ Δ P(2)
[0039]施加的功率和電壓的變化量很方便獲得，這樣只需要知道K系數(shù)，是即可得到熱阻。
[0040]一般集成電路的熱阻測試都是依靠制作專門的熱測試芯片來完成的。在此芯片上包含加熱單元和溫度敏感測量單元，如圖1。首先在加熱單元上施加一定的功率，使整個芯片發(fā)熱，然后對溫度敏感單元電壓與溫度的關(guān)系進行測量，利用公式即可計算出熱阻。
[0041]本發(fā)明不用加工專門的熱阻測試芯片，對待測的集成電路根據(jù)芯片的工藝結(jié)構(gòu)選擇熱阻測試中的加熱單元和溫度敏感單元，在與實際應(yīng)用功率基本相同的條件下進行熱阻測試。
[0042]本發(fā)明的具體原理如下:
[0043]集成電路中溫度的升高主要是由于電壓、電流作用產(chǎn)生的功耗使得芯片本身溫度升高，即為一種自熱效應(yīng)。這種熱主要來源是硅體內(nèi)的晶體管上的結(jié)所產(chǎn)生的功耗。超大規(guī)模集成電路的硅體內(nèi)一般有上百萬個晶體管和結(jié)，他們共同作用產(chǎn)生了芯片的大部分功耗。要使他們同時工作線路會非常復(fù)雜，顯然不是用來進行測試熱阻的好方法?？紤]到集成電路的工藝結(jié)構(gòu)，其縱切面參見圖2，如圖2所示為本發(fā)明電源地之間隔離結(jié)縱向結(jié)構(gòu)示意圖。從圖2中可以看到在硅體內(nèi)部電源與地之間是個尺寸很大的PN結(jié)。電路正常使用情況下它是反偏的PN結(jié)，幾乎沒有電流流過。但是如果從地到電源通一個恒定的正向電流的話，這個PN結(jié)就成為了一個跨越整個芯片硅體的正向結(jié)，非常適合作為加熱單元或溫度敏感單元。
[0044]如果被測的集成電路只有一組電源和地回路，那么可以將電源與地之間的隔離二極管(PN結(jié))同時作為加熱單元或溫度敏感單元，但由于互相干擾這樣測得的熱阻誤差會比較大。
[0045]對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的集成電路，一般會有內(nèi)核和外圍兩種相互獨立的電源地回路系統(tǒng)，參見圖3，如圖3所示為本發(fā)明待測集成電路結(jié)構(gòu)示意圖。通常內(nèi)核產(chǎn)生功耗會占整個芯片功耗的85%以上。根據(jù)此特點可以選擇將集成電路內(nèi)核電源與地之間的隔離二極管作為加熱單元，外圍電源與地之間的隔離二極管作為溫度敏感單元，參見圖4，如圖4所示為本發(fā)明使用電源地隔離二極管進行測試的示意圖。本發(fā)明熱阻測試方法適用于被測的集成電路包括兩組或兩組以上的電源地回路系統(tǒng)。
[0046]實施例1
[0047]實例選用基于電學(xué)法的熱瞬態(tài)測試技術(shù)測量，其封裝形式為PGA141陶瓷封裝不帶熱沉，芯片面積為7 X 7mm,銀漿粘接的數(shù)字集成電路產(chǎn)品。本實施例集成電路分為內(nèi)核和外圍兩組電源地回路系統(tǒng)。
[0048]如圖5所示為本發(fā)明待測集成電路結(jié)到殼熱阻測試流程圖，集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法具體包括如下步驟:
[0049]步驟(一)、將T3Ster熱阻測試儀開機，設(shè)定T3Ster熱阻測試儀的測量模式為二極管模式，兩端的定義是A為正和C為地，將被測集成電路的外圍電源與地之間的隔離二極管作為溫度敏感單元，然后將被測集成電路內(nèi)所有電源管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的C端，所有地管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的A端；確認(rèn)電路的連接是否正確。
[0050]步驟(二)、測試被測集成電路的外圍電源與地之間的隔離二極管兩端的伏安特性，并確定測試電流，測試電流最好選擇伏安特性的拐點電流。本實施例確定測試電流為IOmA0
[0051]步驟(三)、在T3Ster熱阻測試儀的計算機上啟動T3Ster熱阻測試軟件，將T3Ster熱阻測試儀的溫控油槽打開，通過T3Ster熱阻測試軟件將溫控油槽啟動，并設(shè)置溫度范圍，例如30°C _85°C，將被測集成電路放入溫控油槽中，按照軟件操作指南在上述預(yù)先設(shè)置的溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量溫敏單元的K系數(shù)。本案例中測得為-2.375mV/°C，測試曲線見圖6，如圖6所示為本發(fā)明實施例中K系數(shù)的測量曲線。
[0052]步驟(四)、測好K系數(shù)后，將被測集成電路的芯片粘接面所在的外殼平面和T3Ster熱阻測試儀的恒溫平臺緊密接觸，本例中恒溫臺設(shè)定為40°C，在T3Ster熱阻測試儀上利用通氣的壓力裝置頂緊被測集成電路，壓力為2-3MPa，本實施例中壓力選2MPa。
[0053]步驟(五)、將被測集成電路的內(nèi)核電源與地之間的隔離二極管作為加熱單元，然后將被測集成電路的內(nèi)核回路中所有電源管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的加熱恒流源的負(fù)端，所有地管腳接到加熱恒流源的正端，確認(rèn)電路的連接是否正確。對隔離二極管兩端的伏安特性進行測試，確定正向壓降；
[0054]步驟(六)、選擇被測集成電路實際工作時的最大功率作為加熱功率，與步驟(五)中測得的正向壓降相除(即加熱功率除以正向壓降)得到需要施加的加熱電流，將加熱電流施加在所述加熱單元上，當(dāng)加熱單元兩端的壓降不再發(fā)生改變即達(dá)到熱平衡狀態(tài)。
[0055]本實施例中被測集成電路工作時功率約為2W，其中內(nèi)核部分功率為1.8W。選擇內(nèi)核電源與地之間的隔離二極管作為加熱單元，VH約為0.8V，需要施加2.2A加熱電流，其功耗約為1.8W。
[0056]步驟(七)、待達(dá)到熱平衡狀態(tài)以后，停止施加在被測集成電路上的加熱電流，并立即對該溫度敏感單元的正向?qū)▔航颠M行記錄，直致達(dá)到新的熱平衡狀態(tài)停止記錄；T3Ster熱阻測試儀自動記錄被測集成電路的冷卻曲線，冷卻曲線的縱坐標(biāo)是電壓的變化值，橫坐標(biāo)是時間的對數(shù)坐標(biāo)。
[0057]步驟(八)、將被測集成電路的芯片粘接面所在的外殼平面涂上導(dǎo)熱硅脂，將外殼平面與T3Ster熱阻測試儀的恒溫臺緊密接觸，重復(fù)步驟(五)一(七)，再次得到被測集成電路的冷卻曲線。
[0058]步驟(九)、由所述兩次得到的冷卻曲線進行計算，將兩條冷卻曲線導(dǎo)入上T3Ster熱阻測試儀附帶的分析軟件中的結(jié)構(gòu)函數(shù)計算模塊，得到兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線見圖7，進一步得到結(jié)到殼熱阻計算曲線見圖8。從而得到被測集成電路結(jié)到殼熱阻。
[0059]本實施例計算得到的結(jié)到殼熱阻為3.980C /W，與用軟件仿真得到的數(shù)據(jù)4°C /W —致，證明該方法有效可靠。
[0060]若所述被測的集成電路僅包括一組電源和地回路，將電源與地之間的隔離二極管同時作為加熱單元和溫度敏感單元，按照上述步驟(一)?(九)進行測試。
[0061]本發(fā)明使得集成電路封裝結(jié)到殼的熱阻測試不再需要專用的熱阻測試芯片，有效的簡化了熱阻測試的步驟，大大提高了測試的效率。
[0062]以上所述，僅為本發(fā)明最佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0063]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟(一)、將T3Ster熱阻測試儀開機，設(shè)定T3Ster熱阻測試儀的測量模式為二極管模式，兩端的定義是A為正和C為地，所述被測的集成電路包括兩組或兩組以上的電源和地回路，將所述被測集成電路的外圍電源與地之間的隔離二極管作為溫度敏感單元，然后將所述被測集成電路外圍的所有電源管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的C端，外圍的所有地管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的A端； 步驟(二)、測試所述被測集成電路的外圍電源與地之間的隔離二極管兩端的伏安特性，并確定測試電流； 步驟(三)、在T3Ster熱阻測試儀的計算機上啟動T3Ster熱阻測試軟件，將T3Ster熱阻測試儀的溫控油槽打開，通過T3Ster熱阻測試軟件將所述溫控油槽啟動，并設(shè)置溫度范圍，將被測集成電路放入溫控油槽中，在所述設(shè)置的溫度范圍內(nèi)測量溫度敏感單元的K系數(shù)； 步驟(四)、將被測集成電路的芯片粘接面所在的外殼平面和T3Ster熱阻測試儀的恒溫平臺緊密接觸，在T3Ster熱阻測試儀上利用通氣的壓力裝置頂緊被測集成電路； 步驟(五)、將所述被測集成電路的內(nèi)核電源與地之間的隔離二極管作為加熱單元，然后將被測集成電路的內(nèi)核回路中所有電源管腳連接到T3Ster熱阻測試儀的加熱恒流源的負(fù)端，所有地管腳接到加熱恒流源的正端，對所述隔離二極管兩端的伏安特性進行測試，確定正向壓降； 步驟(六)、選擇被測集成電路實際工作時的最大功率作為加熱功率，與步驟(五)中測得的正向壓降相除即得到需要施加的加熱電流，將加熱電流施加在所述加熱單元上，當(dāng)加熱單元兩端的壓降不再發(fā)生改變即達(dá)到熱平衡狀態(tài)； 步驟(七)、待達(dá)到熱平衡狀態(tài)以后，停止施加在被測集成電路上的加熱電流，并對所述溫度敏感單元的正向?qū)▔航颠M行記錄，直致達(dá)到新的熱平衡狀態(tài)停止記錄；T3Ster熱阻測試儀自動記錄被測集成電路的冷卻曲線，所述冷卻曲線的縱坐標(biāo)是電壓的變化值，橫坐標(biāo)是時間的對數(shù)坐標(biāo)； 步驟(八)、將被測集成電路的芯片粘接面所在的外殼平面涂上導(dǎo)熱硅脂，將所述外殼平面與T3Ster熱阻測試儀的恒溫臺緊密接觸，重復(fù)步驟(五)一(七)，再次得到被測集成電路的冷卻曲線； 步驟(九)、由所述兩次得到的冷卻曲線進行計算，將兩條冷卻曲線導(dǎo)入上T3Ster熱阻測試儀的分析軟件中的結(jié)構(gòu)函數(shù)計算模塊，計算得到被測集成電路結(jié)到殼熱阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，其特征在于:所述步驟(二)中確定的測試電流為隔離二極管兩端的伏安特性的拐點電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，其特征在于:所述步驟(三)中設(shè)置的溫度范圍為30°C -85°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，其特征在于:所述步驟(三)中在T3Ster熱阻測試儀上利用通氣的壓力裝置頂緊被測集成電路，壓力裝置的壓力為2-3MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超大規(guī)模集成電路結(jié)到殼熱阻測試的方法，其特征在于:若所述被測的集成電路僅包括一組電源和地回路，將電源與地之間的隔離二極管同時作為加熱單元和溫度敏感單元， 按照所述步驟(一)~(九)進行測試。
【文檔編號】G01R31/28GK103837822SQ201410073691
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】趙春榮, 李興鴻, 曹玉生, 練濱浩, 張洪碩, 姚全斌 申請人:北京時代民芯科技有限公司, 北京微電子技術(shù)研究所