00-半导体热特性测试最新方法及原理讲解

讲师：徐文亮2012.6.28半导体测试最新方法及原理讲解YourInitials,PresentationTitle,MonthYear1©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential内容要点半导体器件常规热测试方法的弊端基于ETM热特性测试方法特点及原理讲解实际工程案例讲解——半导体器件热特性测试实机演示——LED热特性测试©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential热特性测试特点结温控制至关重要——光效，寿命没有统一的行业标准——datasheet质量参差不齐产品的多样性——芯片，封装，灯具组装测试结果可重复性？产品热结构层次设计，评估及优化？内部可靠性标准建立——较权威的测试设备？YourInitials,PresentationTitle,MonthYear3©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential半导体器件常规热测试方法接触型——热电偶非接触——热成像仪©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential接触型-热电偶构造及测试原理——两种不同成份的材质导体（热电偶丝材或热电极）组成闭合回当接合点两端的温度不同，存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势。——热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential热电偶——弊端测试的局限性焊接情况？通道大小？位置选择？接触热阻？©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential热电偶——弊端接触型©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential非接触型-热成像仪构造及测试原理——热成像仪（红外热成像仪）是通过探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备——通常我们将比0.78微米长的电磁波，称为红外线。自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential非接触型-热成像仪©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential非接触型热成像仪——弊端©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential热特性测试方法讲解ETM测试方法特点及原理介绍JEDEC-51&MIL-STD-750标准联系及区别Static&Dynamic方法区别结构函数讲解©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential测试方法特点及原理介绍基于结构函数使内部热构造可视化热阻网络模型©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential：使用初期Cold-plateBaseChipDieattachJunctionGrease样品2：使用后期basegreaseDieattachRCchipRC结构函数比较结构函数结构函数©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential结构函数讲解基于热的RC线性系统理论基于温度采样点进行反卷积通过数学变化得到“从结到环境”整个热流路径下的热结构分布©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential结构函数讲解基于热的RC线性系统理论假设前提16环境边界Ta理想线性1D系统DLDLAV=A·DL1Dheat-flowTambCth=V·cvRth=DL/(A·l)©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential结构函数讲解基于热的RC线性系统理论假设前提17热阻-热容RC网络模型功率驱动点Ambient理想线性1D系统环境边界Ta©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidentialniiRR1niiCC1所有的相关参数都是1!11111111111111111111111111111111©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidentialniiRR1niiCC1doubleslope积分结构函数niiRR1dRdCRK)(apeak微分结构函数12©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential如图所示：材料变化©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential如图所示：几何体积变化©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential从结构函数我们能够获取每个层次的数据…CumulativestructurefunctionniiRR1dRdCRK)(DifferentialstructurefunctionniiRR1niiCC1Cth1Cth2Cth3Cth1Cth2Cth3ThermalcapacitancevaluescanbereadRth1Rth2Rth3Rth1Rth2Rth3Partialthermalresistancevaluescanberead©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential离散到连续单脉冲温度变化曲线©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential结构函数讲解基于热的RC线性系统理论…thtWta)(©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential标准的制定——JEDEC&MIL-STD-750YourInitials,PresentationTitle,MonthYear25©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential标准联系及区别MIL-STD-750美军标制定时期早在70年代，当时由于硬件条件的限制，和实现性的考虑，更侧重器件的功率加载上和某种程度的数据采集上；JEDECJESD51主要侧重测试环境和数据精度获取方面，器件热阻值可重复性和稳定性要求加强，当然对硬件技术要求较高；从功率器件热阻特性测试精度考虑，JEDECJESD51这方面考虑的更加全面，更适合数据的参考和比较。这两套标准没有实质性冲突的内容；©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential方法区别Static法功耗時間温度時間（対数軸）温度HeatingCurveCoolingCurve時間（対数軸）温度不受加热过程Power变动影响完整的热响应曲线可以产生足够精度的结构函数适合半导体器件热阻参数之间的比较和可靠性检查及leveltesting.©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential方法区别28logttimeTtemperaturettimeTtemperatureT'2t2Heatingfort2timeCoolingfort2timeMeasurementloopfortimeinstancet2t2t2MeasureT2ttimePdissipationHeatingfort1timeCoolingfort1timeMeasurementloopfortimeinstancet1t1t1MeasureT1t12t1T'1t1MeasurementdelaytimeTT'extrapolationdefinedinJEDECJESD51-1standardT'2T'1Dynamic法结果受加热过程Power变动影响较大，noise大采样点较稀疏，leveltesting很难实现硬件易实现©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential数值问题——结构函数结构函数几乎没有实际物理意义Source:©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential方法——小结DynamicTestMethod：多脉冲测试，对硬件要求不高，易实现，应用较早；采用点较稀疏，评估结-壳内部的热阻时，精度较低；测试周期相对较长；StaticTestMethod：一次脉冲测试，对仪器硬件本身要求较高，数据采集技术要求高；测试周期相对较短；基于此方法的T3Ster仪器率先实现，其测试效率和测试精度较高。©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential创新实现JEDEC51-1静态测试JEDEC51-14结壳热阻标准参考T3Ster制定高达1us的采样率，64K的采样存储空间1us高速电源切换最小电压分辨率12uV精确的结构函数用于分析内部构造HighPowerLED测试标准陆续出台JEDEC51-5x…©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential结构函数应用——RJC结-壳热阻标准测试32©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential结构函数应用——基板热阻比较33©2010MentorGraphicsCorp.CompanyConfidential