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。