專利名稱：一種測量半導體器件和接觸材料間接觸熱阻的方法
技術領域：
本發明屬于電子器件測試領域，主要應用于界面熱阻測量與分析，具體涉及一種測量半導體器件和接觸材料間接觸熱阻的方法。
背景技術：
隨著半導體器件向尺寸小、功能強及集成度高等方向的發展，半導體器件的工作功率不斷增大，工作時產生的熱量不斷增多，有源區結自升溫不斷提高，從而導致器件可靠性下降，壽命縮短。結自升溫等于功率與熱阻的乘積。因此，可以通過減小熱阻來降低器件有源區的溫度，從而提高器件的可靠性。在使用過程中，半導體器件散熱通路上的總熱阻Rth包括器件內部熱阻RtM、器件與其他材料接觸產生的接觸熱阻R以及接觸材料熱阻Rt三部分。目前大功率器件的內部熱阻可降低至0.3°C /W左右，與半導體接觸的散熱材料熱阻最小也可達到0.2V /W左右，而接觸熱阻在1°C /W左右。所以半導體器件與接觸材料之間的接觸熱阻就成為影響器件散熱的重要因素。因此，測定器件與接觸材料間的接觸熱阻是確保器件正常、安全工作的重要手段。目前測量接觸熱阻的方法有穩態法和瞬態法。典型的穩態法中，對接觸面的溫差數據采用線性外推，可以獲得接觸熱阻。但是溫差線性外推法只有在接觸面溫差較大時，其數據才是可靠的，而且完全準確地測量半導體器件和接觸材料間的接觸面溫差是十分困難的；在瞬態法中，光熱法應用廣泛，通過測量遇到界面后的熱波(形變波)與調制波的相位差(波幅值的衰減)，獲得界面熱阻。但是在測量過程中，接觸界面會導致熱波在接觸處發生漫射，破壞了其相位關系，使得熱阻測試結果出現偏差。
發明內容
針對接觸熱阻測量中存在的上述問題，本發明提出了一種通過測量不同壓力下、半導體器件正常工作時、芯片有源區到接觸材料的熱阻微分結構函數曲線測量接觸熱阻的方法。本發明采用的技術方案如下:在不同接觸壓力下，利用熱阻測量裝置及壓力測試裝置，測得器件散熱路徑上的熱阻微分結構函數曲線，通過分析不同壓力下熱阻微分結構函數曲線，得到熱阻-壓力曲線，從而確定接觸熱阻。—種測量半導體器件和接觸材料間接觸熱阻的方法，包括被測半導體器件I和接觸材料2、壓力裝置3、壓力測量裝置4、恒溫平臺5、測試電路板6、計算機7、工作電源8、加熱電源9。加熱電源9為恒溫平臺5供電；恒溫平臺5用于調節和保持半導體器件I測試過程中的環境溫度，同時通過嵌在平臺內的熱電偶測量半導體器件I的殼溫；壓力裝置3用于對半導體器件I和接觸材料2施加壓力；壓力測量裝置4用于測量半導體器件I和接觸材料2之間的壓力；測試 電路板6用于對半導體器件I提供電流通道，并測量半導體器件I的電壓；計算機7用于控制工作電源8為半導體器件I提供加熱電流和測試電流，加熱電流用來使半導體器件I自升溫，測試電流用于在半導體器件I冷卻過程中測量半導體器件I兩端的電壓。本發明的特征在于，該方法還包括以下步驟:步驟一，將半導體器件I放置在恒溫平臺5上，接好半導體器件I和測試電路板6、工作電源8的連線。步驟二，接通加熱電源9，使恒溫平臺5在整個實驗過程中一直保持恒溫。步驟三，給測試電路板6、計算機7、工作電源8加電，使其正常工作。計算機7通過控制流過半導體器件I的測試電流使其工作在不同的溫度下，并通過測試電路板6測量不同溫度下半導體器件I的電壓，得到半導體器件I的電壓-溫度系數曲線。步驟四，通過實驗繪制半導體器件I的熱阻微分結構函數曲線，進而求出其內部熱阻Rthtl。方法如下:(I)計算機7控制工作電源8，給半導體器件I通入加熱電流，直至半導體器件I溫度達到穩定。(2)切斷加熱電流，待半導體器件I開始冷卻，給半導體器件I通入測試電流。(3)測試電路板6采集半導體器件I的電壓，直至半導體器件I的溫度降至與恒溫平臺5的溫度相等，得到半導體器件I對于恒溫平臺5的冷卻響應曲線。(4)求解熱阻微分結構函數曲線。計算機7依據半導體器件I冷卻過程中的電壓變化以及電壓-溫度系數曲線，對于熱傳導通路上串聯的熱阻、熱容用Foster串聯網絡模型表示。由于Foster模型不能反映熱阻、熱容的物理意義，利用結 構函數法將Foster網絡轉化為Cauer網絡模型，將節點至節點熱容轉變為節點至地熱容，其中的熱阻表示模型中真實的熱阻，將Cauer模型中的熱阻、熱容累加得到熱阻積分函數曲線。為了更明顯地反映導熱通路上熱阻的構成情況，計算機7再對熱阻積分函數求微分，得到熱阻微分結構函數曲線。(5)根據曲線上的各個峰值對應的熱阻可以得到半導體器件I的內部熱阻RthQ。(6)保存微分結構函數曲線以及對應數據。步驟五，將壓力測量裝置4置于半導體器件I的上表面，用壓力裝置3將壓力測量裝置4以及半導體器件I 一同壓在接觸材料2上，組成待測系統。將待測系統放在恒溫平臺5上，并將半導體器件I與測試電路板6、工作電源8相連。步驟六，計算機7控制工作電源8給半導體器件I通入與步驟四中相同的加熱電流，使半導體器件I自升溫。步驟七，按照步驟四的方法得到待測系統中半導體器件I到接觸材料2的熱阻微分結構函數曲線，進而得到熱傳導通路上從半導體器件到接觸材料2的熱阻Rthl。保存微分結構函數曲線和對應數據。步驟八，調節壓力裝置3改變半導體器件I對接觸材料2的壓力，從而改變二極管和接觸材料2之間的接觸熱阻。通過壓力測量裝置4測定當前的半導體器件I對接觸材料2的壓力，重復步驟六、七得到不同壓力F下半導體器件I到接觸材料2的熱阻微分結構函數曲線，以及不同壓力下半導體器件I到接觸材料2的熱阻Rthl、Rth2,…、Rthn，保存曲線和數據。步驟九，對步驟八中所得不同壓力F下的不同熱阻Rthl、Rth2、…、Rthn，進行函數擬合，得到Rth-F函數曲線，表達式近似為:
Rrh=Axew+C式中，A、B、C為常數。求F趨近于正無窮大時Rth的極限，近似得到接觸材料2的熱阻Rt ;再根據步驟四中得到的半導體器件I的內部熱阻Rthtl，按下式計算不同壓力條件下半導體器件I與接觸材料2之間的接觸熱阻:R=Rth-Rtho-R1(I)本發明的有益效果是:本發明采用瞬態法測量接觸熱阻，利用壓力影響接觸熱阻的方法，避免了瞬態光熱法中光相位受影響的問題，以及半導體器件復雜的內部結構對光熱法測量熱阻的影響。另外，本發明還可以準確測量壓力與接觸熱阻的關系，而且對半導體器件沒有損傷。
圖1為本發明所涉及的測試裝置示意圖，圖中:I一半導體器件，2—接觸材料，3—壓力裝置，4一壓力測量裝置，5—恒溫平臺，6—測試電路板，7—計算機，8—工作電源，9一加熱電源；圖2為本發明所涉及的方法流程圖；圖3為半導體器件I內部的熱阻微分結構函數；圖4為半導體器件I到接觸材料2的熱阻微分結構函數；圖5為接觸熱阻-壓力函數曲線；圖6為半導體器件I與接觸材料2間接觸熱阻-壓力曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行更詳細的說明。本發明所涉及的測試裝置如圖1所示。測量選用的半導體器件I封裝形式為T0-3PB型的快恢復二極管，其最大工作電壓2.3V，最大工作電流15A，測量使用的熱阻測試裝置符合MIL-STD-750和JEDEC JESD51-1熱阻測試標準，接觸材料為一面積是30cm2、厚度
0.5cm招板。測量半導體器件和接觸材料間接觸熱阻的方法流程圖如附圖2所示，包括以下步驟:步驟一，將半導體器件I放置在恒溫平臺5上，接好半導體器件I和測試電路板6、工作電源8的連線。半導體器件I選擇封裝形式為T0-3PB型的快恢復二極管，其最大工作電壓2.3V,最大工作電流15A。 步驟二，接通加熱電源9，使恒溫平臺5在整個實驗過程中一直保持恒溫20°C。步驟三，給測試電路板6、計算機7、工作電源8加電，使其正常工作。計算機7通過控制流過半導體器件I的測試電流使其工作在不同的溫度下(20°C 70°C )，并通過測試電路板6測量不同溫度下半導體器件I的電壓，得到半導體器件I的電壓-溫度系數曲線。步驟四，通過實驗繪制半導體器件I的熱阻微分結構函數曲線，進而求出其內部熱阻Rthtl。方法如下:(I)計算機7控制工作電源8，給半導體器件I通入9A的加熱電流，直至半導體器件I溫度達到穩定。(2)切斷加熱電流，待半導體器件I開始冷卻，給半導體器件I通入1.5mA測試電流。(3)測試電路板6采集半導體器件I的電壓，直至半導體器件I的溫度降至與恒溫平臺5的溫度相等，得到半導體器件I對于恒溫平臺5的冷卻響應曲線。
(4)計算機依據二極管冷卻過程中的電壓變化以及電壓-溫度系數曲線，對熱傳導通路上的熱阻、熱容累加得到熱阻積分函數曲線。為了更明顯地反映導熱通路上熱阻的構成情況，計算機再對熱阻積分函數求微分，得到熱阻微分結構函數曲線。(5)根據曲線上的各個峰值對應的熱阻可以得到半導體器件I的內部熱阻Rthtl，如附圖3所示。(6)保存微分結構函數曲線以及對應數據。步驟五，如附圖1所示，將壓力測量裝置4置于半導體器件I的上表面，用壓力裝置3將壓力測量裝置4以及半導體器件I 一同壓在接觸材料2上，組成待測系統。將待測系統放在恒溫平臺5上，并將半導體器件I與測試電路板6、工作電源8相連。步驟六，計算機7控制工作電源8給半導體器件I通入9A的加熱電流，使半導體器件I自升溫。步驟七，按照步驟四的方法得到待測系統中半導體器件I到接觸材料2的熱阻微分結構函數曲線，如附圖4所示，進而得到熱傳導通路上從半導體器件I到接觸材料的熱阻Rthlo保存微分結構函數曲線和對應數據。步驟八，調節壓力裝置3改變半導體器件I對接觸材料的壓力，從而改變二極管和接觸材料之間的接觸熱阻。通過壓力測量裝置4測定當前的半導體器件I對接觸材料2的壓力，重復步驟六、七得到不同壓力F下半導體器件I到接觸材料的熱阻微分結構函數曲線，以及不同壓力下半導體器件I到接觸材料2的熱阻Rthl、Rth2……Rthn，如附圖5所示。保存曲線和數據。步驟九，對步驟八中所得不同壓力F下的不同熱阻Rthl、Rth2……Rthn，用函數y=Al*exp (_x/tl) +yO進行擬合,得到Rth-F函數曲線,如圖6所示,表達式近似為:
-FRth=OMA IX V7V 4 +1.0334求F趨近于正無窮大時Rth的極限，近似得到接觸材料熱阻RT，再根據步驟四中得到的半導體器件I的內部熱阻RtM，根據式(I)得到不同壓力條件下半導體器件I與接觸材料2之間的接觸熱阻。測量使用的熱阻測量裝置符合MIL-STD-750和JEDEC JESD51-1熱阻測試標準，測量時加熱電流測量精度±lmA ;加熱電壓測量精度±0.2% ;熱電偶測量精度(T型)±0.3°C；結溫測量精度0.rc ;在指數擬合過程中，利用最小二乘法對數據進行處理，所得函數曲線擬合度和各個參數值及對應的標準誤差如圖6中的表格所示:曲線擬合度為0.94601 ;%的標準誤差為0.06508，相對誤差為0.06508/1.0334=6.29% -,K1的標準誤差為0.05811，相對誤差為:0.05811/0.8442=6.88%。
實驗表明，本發明所述的方法能夠準確測量半導體器件和接觸材料間的接觸熱阻，以及壓力與接觸熱阻的關系曲線。·
權利要求
1.一種測量半導體器件和接觸材料間接觸熱阻的方法，包括被測半導體器件I和接觸材料2、壓力裝置3、壓力測量裝置4、恒溫平臺5、測試電路板6、計算機7、工作電源8、加熱電源9 ;加熱電源9為恒溫平臺5供電；恒溫平臺5用于調節和保持半導體器件I測試過程中的環境溫度，同時通過嵌在平臺內的熱電偶測量半導體器件I的殼溫；壓力裝置3用于對半導體器件I和接觸材料2施加壓力；壓力測量裝置4用于測量半導體器件I和接觸材料2之間的壓力；測試電路板6用于對半導體器件I提供電流通道，并測量半導體器件I的電壓；計算機7用于控制工作電源8為半導體器件I提供加熱電流和測試電流，加熱電流用來使半導體器件I自升溫，測試電流用于在半導體器件I冷卻過程中測量半導體器件I兩端的電壓；本發明的特 征在于，該方法還包括以下步驟: 步驟一，將半導體器件I放置在恒溫平臺5上，接好半導體器件I和測試電路板6、工作電源8的連線； 步驟二，接通加熱電源9，使恒溫平臺5在整個實驗過程中一直保持恒溫； 步驟三，給測試電路板6、計算機7、工作電源8加電，使其正常工作；計算機7通過控制流過半導體器件I的測試電流使其工作在不同的溫度下，并通過測試電路板6測量不同溫度下半導體器件I的電壓，得到半導體器件I的電壓-溫度系數曲線； 步驟四，通過實驗繪制半導體器件I的熱阻微分結構函數曲線，進而求出其內部熱阻^thO ; 步驟五，將壓力測量裝置4置于半導體器件I的上表面，用壓力裝置3將壓力測量裝置4以及半導體器件I 一同壓在接觸材料2上，組成待測系統；將待測系統放在恒溫平臺5上，并將半導體器件I與測試電路板6、工作電源8相連； 步驟六，計算機7控制工作電源8給半導體器件I通入與步驟四中相同的加熱電流，使半導體器件I自升溫； 步驟七，按照步驟四的方法得到待測系統中半導體器件I到接觸材料2的熱阻微分結構函數曲線，進而得到熱傳導通路上從半導體器件I到接觸材料的熱阻Rthl ;保存微分結構函數曲線和對應數據； 步驟八，調節壓力裝置3改變半導體器件I對接觸材料的壓力，從而改變二極管和接觸材料之間的接觸熱阻；通過壓力測量裝置4測定當前的半導體器件I對接觸材料2的壓力，重復步驟六、七得到不同壓力F下半導體器件到接觸材料的熱阻微分結構函數曲線，以及不同壓力下半導體器件I到接觸材料2的熱阻Rthl、Rth2,…、Rthn，保存曲線和數據；步驟九，對步驟八中所得不同壓力F下的不同熱阻Rthl、Rth2、…、Rthn，進行函數擬合，得到Rth-F函數曲線，表達式近似為:Rrh=Axes +C 式中，A、B、C為常數； 求F趨近于正無窮大時Rth的極限，近似得到接觸材料熱阻Rt ;再根據步驟四中得到的半導體器件I的內部熱阻RtM，按下式計算不同壓力條件下半導體器件I與接觸材料2之間的接觸熱阻: R=Rth_RthO_RT°
2.根據權利要求1所述的一種測量半導體器件和接觸材料間接觸熱阻的方法，其特征在于，步驟四繪制半導體器件I的熱阻微分結構函數曲線，進而求出其內部熱阻Rthtl的方法如下: (O計算機7控制工作電源8，給半導體器件I通入加熱電流，直至半導體器件I溫度達到穩定； (2)切斷加熱電流，待半導體器件I開始冷卻，給半導體器件I通入測試電流； (3)測試電路板6采集半導體器件I的電壓，直至半導體器件I的溫度降至與恒溫平臺5的溫度相等，得到半導體器件I對于恒溫平臺5的冷卻響應曲線； (4)求解熱阻微分結構函數曲線； 計算機依據半導體器件I冷卻過程中的電壓變化以及電壓-溫度系數曲線，對于熱傳導通路上串聯的熱阻、熱容用Foster串聯網絡模型表示；利用結構函數法將Foster網絡轉化為Cauer網絡模型，將節點至節點熱容轉變為節點至地熱容，其中的熱阻表示模型中真實的熱阻，將Cauer模型中的熱阻、熱容累加得到熱阻積分函數曲線；計算機再對熱阻積分函數求微分，得到熱阻微分結構函數曲線； (5)根據曲線上的各個峰值對應的熱阻可以得到半導體器件I的內部熱阻Rthtl； (6)保存微分結構函數曲線以及對應數據。
全文摘要
本發明屬于電子器件測試領域，公開了一種測量半導體器件和接觸材料間接觸熱阻的方法。首先測出待測半導體器件的電壓-溫度系數曲線，繪制其熱阻微分結構函數曲線，進而求出其內部熱阻Rth0。然后，測量不同壓力F下半導體器件到接觸材料的熱阻Rth1、Rth2、…、Rthn，進行函數擬合得到Rth-F曲線，并由此求出接觸材料的熱阻RT。最后由R=Rth-Rth0-RT求出不同壓力下半導體器件與接觸材料之間的接觸熱阻。本發明利用壓力影響接觸熱阻的方法，不僅解決了瞬態光熱法中光相位受影響及熱阻測量受半導體器件內部結構影響的問題，還可以在不損傷半導體器件的條件下準確測出壓力與接觸熱阻的關系。
文檔編號G01N25/20GK103245694SQ20131017415
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月13日 優先權日2013年5月13日
發明者郭春生, 李睿, 馮士維, 張燕峰, 石磊 申請人:北京工業大學