摘要：文中通過熱阻的測試原理分析和實(shí)際案例，分別從熱阻測試條件、控制限、上芯空洞、傾斜、芯片內(nèi)阻等幾個方面，全面地闡述對熱阻測試結(jié)果的影響，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)形成圖表，較為直觀明了，總結(jié)出熱阻測試失效的各種可能原因。
關(guān)鍵詞：熱阻；功率電流；測量電流；錫層厚度
隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體分立器件的功率越來越大，使得產(chǎn)品的耗散功率增大。同時由于成本控制的原因，芯片和成品的尺寸都在不斷的縮小，在一定程度上又限制了產(chǎn)品的散熱。這就造成了產(chǎn)品存測試過程中，經(jīng)常發(fā)生熱阻不良。本文重點(diǎn)閘述了熱阻測試原理和各類失效模式，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
1 熱阻概念及測試原理
1．1 熱阻概念及作用
熱阻是依據(jù)半導(dǎo)體器件PN結(jié)在指定電流下兩端的電壓隨溫度變化而變化為測試原理，來測試功率半導(dǎo)體器件的熱穩(wěn)定性或封裝等的散熱特性，通過給被測功率器件施加指定功率、指定時間PN結(jié)兩端的電壓變化(△VBE／△VF／△VGK／△VT／△VDS)作為被測器件的散熱判據(jù)。并與指定規(guī)范值比較，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行篩選，將散熱性差的產(chǎn)品篩選掉，避免散熱性差的產(chǎn)品在應(yīng)用過程中，因溫升過高導(dǎo)致失效。各類產(chǎn)品的熱阻名稱見表1。
1．2 熱阻測試原理
熱阻測試儀配有接觸檢測和震蕩探測功能，以防止接觸不良和震蕩造成的溫度測量錯誤，提高了測試儀的穩(wěn)定性。測試儀提供手動和自動測試，可測量瞬態(tài)熱阻，存恒溫槽的配合下，也可測量功率器件的穩(wěn)態(tài)熱阻，通過輸入一個溫度系數(shù)到測試儀，也可顯示結(jié)點(diǎn)升高的溫度。
下面以NXP雙向可控硅BT137—600產(chǎn)品為例，詳細(xì)說明熱阻測試原理。
雙向品閘管需要測試笫一象限△VT1和第三象限△VT3，測試條件相同，如表2所示。
其中，IF：施加功率電流；IG：門極觸發(fā)電流；IM：測最電流；PT：施加功率時間；DT：冷卻時間：LOWER LIMIT：規(guī)范下限；UPPER
LIMIT：規(guī)范上限。
測試電路如圖1所示，測試時序如圖2所示。
2 熱阻失效分析
2．1 產(chǎn)品截面圖
產(chǎn)品截面如圖3所示。從產(chǎn)品截面圖中，標(biāo)識的散熱主要方向是從芯片發(fā)熱區(qū)，經(jīng)過上芯錫層，再通過框架載芯板／散熱板，散發(fā)到測試環(huán)境中。
2．2 熱阻測試預(yù)判斷失效
熱阻測試前的預(yù)判斷測試項(xiàng)目IF>50 A、IG>500 mA、VT1>4 V、VT<0．1 V發(fā)生失效，實(shí)際上并不是真實(shí)的熱阻失效，而是產(chǎn)品開短路或漏電過大或測試設(shè)備不良導(dǎo)致的。所以，這一類失效，此時并不需要分析熱阻，而是要分析測試設(shè)備是否有問題，產(chǎn)品是否開短路或漏電。
2．3 熱阻低于規(guī)范值
真正的熱阻測試失效有兩種情況，一類是低于規(guī)范值、一類是高于規(guī)范值。熱阻測試規(guī)范中設(shè)置下限，實(shí)際足為了防止混管，實(shí)際上，熱阻越小越好，所以當(dāng)熱阻低于規(guī)范值時，只需要確認(rèn)是否混管或誤測，如果鄙不是，可以直接放寬規(guī)范下限或取消規(guī)范下限，將不良品復(fù)測即可。
2．4 熱阻測試高于規(guī)范值
熱阻高于規(guī)范值失效，目前，已知可能的原因有以下幾種：
①上芯空洞超標(biāo)、結(jié)合不良；
②錫層厚度偏厚、傾斜；
③芯片內(nèi)阻大；
④測試規(guī)范上限設(shè)置過于嚴(yán)格；
⑤測試條件設(shè)置不合理；
(1)空洞超標(biāo)、結(jié)合不良
空洞超標(biāo)、結(jié)合不良會導(dǎo)致熱阻偏大，是由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于錫?？諝庠跇?biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)是0．0244 W／(m．k)，而錫的導(dǎo)熱系數(shù)是67 W／(m．k)，相差近3000倍。所以空洞對熱阻的影響是非常大的，遠(yuǎn)大于錫層偏厚或傾斜的影響。熱阻分布如圖4所示。
(2)錫層厚度偏厚、傾斜
錫層厚度偏厚或傾斜，增加了熱傳導(dǎo)的距離，一定程度上使產(chǎn)品溫度上升較快，導(dǎo)致熱阻偏大，但其影響遠(yuǎn)低于空洞或產(chǎn)品自身內(nèi)阻增加造成的熱阻偏大。熱阻分布如圖5所示。
(3)芯片內(nèi)阻偏大
當(dāng)芯片內(nèi)阻偏大時，產(chǎn)生的熱量會明顯增加，導(dǎo)致產(chǎn)品溫度上升，熱阻增加。熱阻分布如圖6所示。
(4)測試規(guī)范上限設(shè)置過于嚴(yán)格
如果熱阻測試規(guī)范上限設(shè)置過于嚴(yán)格，熱阻典型值基本全部集中在測試規(guī)范的上限附近，當(dāng)芯片內(nèi)阻稍偏大或錫層稍偏上限，或空洞稍偏大(但全部在控制規(guī)范內(nèi))，熱阻就會偏大超標(biāo)。其熱阻分布如圖7所示。
(5)測試條件設(shè)置不合適
當(dāng)熱阻測試條件設(shè)置不合適時，例如：IM過于臨界，產(chǎn)品出現(xiàn)一點(diǎn)波動時，熱阻可能會出現(xiàn)“虛高”。通過調(diào)整IM參數(shù)，“虛高”的產(chǎn)品和正常產(chǎn)品，用調(diào)整后的程序測試，會得到基本一致的熱阻值。數(shù)據(jù)如表3所示，其熱阻分布如圖8所示。
(6)測試環(huán)境
如果測試環(huán)境的溫度較高，或散熱能力差，會影響到產(chǎn)品的散熱。所以當(dāng)產(chǎn)品熱阻測試失效時，首先要確認(rèn)測試環(huán)境是否存正常的測試規(guī)范內(nèi)，然后冉進(jìn)行其他方面的進(jìn)一步分析。
(7)錫層厚度、傾斜度對熱阻的影響程度
取T0—220產(chǎn)品BT137—600調(diào)試不同的錫層，同時保證空洞一致，測試空洞是在0．2％～0．6％之間，然后一對一測試熱阻。熱阻測試值隨錫層厚度增加而升高，但升高幅度很小，和錫層傾斜度(在40um以內(nèi))關(guān)系不大(見圖9)。錫層厚度的影響如圖10所示。
3 結(jié)束語
本文闡述了熱阻的概念、測試原理、大效模式及對應(yīng)的原因分析，同時將各類失效模式，利用SPC技術(shù)，轉(zhuǎn)換成圖表，更加清晰明了。
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