基于結(jié)構(gòu)函數(shù)的半導(dǎo)體分立器件封裝質(zhì)量檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種半導(dǎo)體分立器件的封裝質(zhì)量檢測方 法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于武器彈藥、重大設(shè)施的安全保護(hù)裝置而言，它們的電子系統(tǒng)及元器件長期處 于非工作狀態(tài)，而其工作性質(zhì)又要求它們必須在使用周期內(nèi)功能正常，具備良好的貯存可 靠性。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電子系統(tǒng)內(nèi)的元器件在長期非工作狀態(tài)下，其組成材料會隨時 間發(fā)生一定的退化，通常被稱為貯存退化，主要表現(xiàn)為電學(xué)性能參數(shù)的退化以及元器件材 料、結(jié)構(gòu)的退化。
[0003] 元器件的貯存退化很難表征，例如半導(dǎo)體分立器件、集成電路、LED等通常用有機(jī) 膠（銀漿）粘接，但是有機(jī)物在長期貯存過程中會發(fā)生老化，導(dǎo)致粘接能力和導(dǎo)熱能力下 降，帶來安全隱患。對于半導(dǎo)體元器件，其貯存可靠性目前還缺乏適合的無損檢測手段。如 果要判斷元器件是否進(jìn)入了貯存耗損期，只有開封進(jìn)行破壞性的檢測分析才能確認(rèn)，具有 很大局限性。現(xiàn)有的檢測元器件貯存退化的方法，目前主要是根據(jù)其參數(shù)退化來進(jìn)行評估 的。然而，參數(shù)僅能反應(yīng)其電學(xué)電能，并不能反應(yīng)器件的材料、界面及封裝等物理性能方面 的退化。
[0004] 除了非工作應(yīng)用狀態(tài)，在工作狀態(tài)下的熱阻退化更引人關(guān)注。功率三極管、功率 模塊在長期工作或環(huán)境溫度劇烈變化的條件下，其芯片粘接材料很容易出現(xiàn)老化或分層開 裂，導(dǎo)致熱阻增大，壽命顯著縮短。
[0005] 現(xiàn)有的一些確定半導(dǎo)體分立器件的封裝質(zhì)量的方法需要開封才能確認(rèn)，這些方法 具有很大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 基于此，有必要的提供一種無損的半導(dǎo)體分立器件的封裝質(zhì)量檢測方法和系統(tǒng)。
[0007] -種基于結(jié)構(gòu)函數(shù)的半導(dǎo)體分立器件封裝質(zhì)量檢測方法，包括：
[0008] 將被檢測器件連接測試電路并放置在恒溫裝置中，分別在至少三個不同的溫度條 件下，向被檢測器件施加第一檢測電流，待恒溫裝置和被檢測器件的溫度穩(wěn)定后，采集并記 錄對應(yīng)溫度條件下被檢測器件的結(jié)壓值，得到被檢測器件的溫敏系數(shù)；
[0009] 分別先后將被檢測器件和參照器件放置在熱沉上，向被檢測器件和參照器件施加 預(yù)定時間的加熱電流，并在預(yù)定時間后將加熱電流切換至第二檢測電流，每隔預(yù)定采集時 間采集第二檢測電流下被檢測器件和參照器件的結(jié)壓值，得到被檢測器件的結(jié)壓變化曲線 和參照器件的結(jié)壓變化曲線；
[0010] 根據(jù)溫敏系數(shù)將被檢測器件的結(jié)壓變化曲線和參照器件的結(jié)壓變化曲線分別轉(zhuǎn) 換為被檢測器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線和參照器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；
[0011] 將被檢測器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線與參照器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線進(jìn)行比較，確定被檢測 器件的封裝質(zhì)量。
[0012] 一種半導(dǎo)體分立器件的封裝質(zhì)量檢測系統(tǒng)，包括：
[0013] 溫敏系數(shù)計算模塊，用于獲取被檢測器件在恒溫裝置中的至少三個溫度條件下被 施加第一檢測電流后的結(jié)壓值，并根據(jù)結(jié)壓時計算得到被檢測器件的溫敏系數(shù)；
[0014] 結(jié)壓變化曲線生成模塊，用于分別獲取每隔預(yù)定采集時間的被檢測器件和參照器 件在熱沉上被施加預(yù)定時間的加熱電流后、再施加第二檢測電流下的結(jié)壓值，并根據(jù)結(jié)壓 值分別得到被檢測器件的結(jié)壓變化曲線和參照器件的結(jié)壓變化曲線；
[0015] 結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線生成模塊，用于根據(jù)溫敏系數(shù)將被檢測器件的結(jié)壓變化曲線和參 照器件的結(jié)壓變化曲線分別轉(zhuǎn)換為被檢測器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線和參照器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲 線；
[0016] 封裝質(zhì)量分析模塊，用于將被檢測器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線與參照器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲 線進(jìn)行比較，確定被檢測器件的封裝質(zhì)量。
[0017] 由于結(jié)構(gòu)函數(shù)能反映器件熱流傳導(dǎo)路徑中每層結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容特性，當(dāng)器件內(nèi) 部出現(xiàn)分層、空洞等封裝、退化等缺陷時，將導(dǎo)致熱阻和熱容的改變，從而引起結(jié)構(gòu)函數(shù)的 異常變化。因此，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線能夠反應(yīng)元器件的封裝質(zhì)量。而參照器件為與被檢測器件 相同類型的已知的無封裝缺陷的良品或進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)前的同一器件，通過比對參數(shù)器件與 被檢測器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線能夠確定被檢測器件的封裝質(zhì)量。該半導(dǎo)體分立器件封裝質(zhì)量 檢測方法簡單，無需損壞被檢測器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0018] 圖1為半導(dǎo)體分立器件的一維傳熱結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為半導(dǎo)體分立器件結(jié)構(gòu)函數(shù)與熱容、熱導(dǎo)率和熱橫截面積的關(guān)系示意圖；
[0020] 圖3為一種實(shí)施方式的半導(dǎo)體分立器件的封裝質(zhì)量檢測方法的流程圖；
[0021] 圖4為一種實(shí)施方式的確定被檢測器件是否有封裝缺陷的方法的流程圖；
[0022] 圖5為一種實(shí)施方式根據(jù)溫敏系數(shù)將結(jié)壓變化曲線轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的方法 的流程圖；
[0023] 圖6為一種實(shí)施方式的確定封裝缺陷部位的方法的流程圖；
[0024]圖7為某晶體管在間歇壽命試驗(yàn)前的結(jié)殼熱阻；
[0025] 圖8為某晶體管在間歇壽命試驗(yàn)后的結(jié)殼熱阻；
[0026] 圖9為某晶體管在間歇壽命試驗(yàn)前后的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)對比圖；
[0027]圖10為某晶體管在濕接觸條件下的間歇壽命試驗(yàn)前后的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)對比圖；
[0028] 圖11為某晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖12為某晶體管在干接觸條件下的間歇壽命試驗(yàn)前后的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)對比圖；
[0030]圖13為一種實(shí)施方式的半導(dǎo)體分立器件的封裝質(zhì)量檢測系統(tǒng)的模塊示意圖；
[0031]圖14為另一種實(shí)施方式的半導(dǎo)體分立器件的封裝質(zhì)量檢測系統(tǒng)的模塊示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 熱阻指熱流流過導(dǎo)熱體時所受的阻力。對于半導(dǎo)體器件而言，給半導(dǎo)體芯片工作 狀態(tài)所施加的功率一部分被轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致器件溫升，芯片上的熱量通過封裝材料向外 傳遞，熱量通過封裝材料向外傳遞的過程中受到的阻力為熱阻。
[0033] 熱阻是表征半導(dǎo)體器件封裝的界面材料退化的適合參數(shù)，尤其對于功率器件如功 率晶體管、MOS管、驅(qū)動模塊，工作溫升及熱阻是影響其壽命和可靠性的重要參數(shù)之一。熱 阻的測量方法也有多種，如電學(xué)法、光學(xué)法、物理法。其中電學(xué)法對封裝器件可做非破壞性、 非接觸測量，是一種最佳的方法。
[0034]通常半導(dǎo)體分立器件具有一個主散熱界面，從而可以近似認(rèn)為其具有一維傳熱路 徑，如圖1所示，即熱流從芯片有源區(qū)10向下往芯片11、粘接層12、基板13、管殼14傳導(dǎo)。
[0035]對于一維傳熱結(jié)構(gòu)，其熱流方程可表示為：
[0037]其中，T表示溫度，t表示時間，X表示結(jié)構(gòu)長度，r(x)表示單位長度熱阻，C(X)表 示單位長度熱容。采用熱源到特定點(diǎn)的熱阻P(X)代替橫坐標(biāo)X，則上式可表示為：
[0041]器件任意X方向離散的極小厚度dx(AX)的熱容可表示為dCs=cAdx，它的熱 阻可表示為dRs =dx/AA，c為體熱容，A為熱導(dǎo)率，A為熱流橫截面積，如圖2所示。
[0043] 上述公式（三）為微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，它與材料體熱容、熱導(dǎo)率和熱流橫截面積的平方 成比例關(guān)系，反映了熱流路徑上材料和橫截面積改變的信息與器件的物理結(jié)構(gòu)相關(guān)。結(jié)構(gòu) 函數(shù)可由熱瞬態(tài)曲線（二）變換轉(zhuǎn)化而來。以K(Rs)為縱坐標(biāo)，1為橫坐標(biāo)畫出的K(Rs) 與熱阻Rs的關(guān)系曲線即為微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，以Cs為縱坐標(biāo)，R￡為橫坐標(biāo)繪出的曲線稱 為積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。結(jié)構(gòu)函數(shù)的橫坐標(biāo)對應(yīng)的1值表征熱流傳遞路徑上從熱源（芯片） 開始，到相應(yīng)結(jié)構(gòu)（如粘接層、基板、管殼等）位置的累積熱阻值，因此，結(jié)構(gòu)函數(shù)能反映器 件熱流傳導(dǎo)路徑中每層結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容特性，當(dāng)器件內(nèi)部出現(xiàn)分層、空洞等封裝和退化 等缺陷時，將導(dǎo)致熱阻和熱容的改變，從而引起結(jié)構(gòu)函數(shù)的異常變化。因此，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 能