一種大功率led器件固晶層散熱性能的快速評估方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于半導體器件技術領域，設及一種大功率L邸器件固晶層散熱性能的快 速評估方法。
【背景技術】
[0002] 在半導體的封裝工藝中，固晶是最重要的環節之一，即將巧片通過銀膠或者錫鉛、 錫銀等合金焊料固定于支架熱沉上。巧片產生的熱量主要是通過熱傳導的方式經過固晶層 和熱沉傳到外部散熱器或者環境中。固晶層作為連接巧片和熱沉的媒介，對半導體器件的 整個熱傳導起著重要作用，其散熱性能直接影響器件的結溫和可靠性。然而在固晶工藝中， 操作不當、支架表面或者巧片表面污染、水汽侵入固晶材料等往往會導致固晶層出現孔隙、 粘接界面間裂紋或者分層等缺陷，使其半導體器件整體散熱性能變差，甚至造成使用過程 中的早期失效。因此，需要進行固晶層的散熱性能評估和缺陷檢測。由于固晶層內部的缺 陷將導致有效的散熱面積減小，根據熱阻的計算公式，Rth= l/kS(l為固晶層高度，k為導 熱系數，S為固晶層面積），有效散熱面積S減小，將導致固晶層熱阻增大。因此測試固晶層 的熱阻，可W實現有缺陷的固晶層的散熱性能評估。
[0003] 由于固晶層處于半導體器件的內部，目前通用的穩態電學參數測量法只能提供半 導體器件的整體熱阻，而無法提供固晶層的熱阻。利用結殼熱阻的瞬態熱阻測試技術，對半 導體器件施加階躍電功率，通過測量器件正向電壓的變化再利用電壓結溫線性系數K系數 推斷器件巧片的溫升，進一步除W半導體器件的耗散熱功率得到瞬態熱阻。瞬態熱阻曲線 包含了熱流在傳導路徑上流經的每層結構的詳細熱學參數信息。通過一系列等效數學變化 可W抽取出熱流傳導路徑上每層結構的熱阻和熱容，從而實現固晶層熱阻的檢測。
[0004] 基于結殼熱阻的瞬態熱阻測試技術在半導體器件的固晶層散熱性能評估方面有 很大的優勢，但是該方法需要進行K系數標定和測量熱耗散功率，操作步驟復雜、費時，不 利于該測量方法的推廣應用。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種大功率L邸器件固晶層散熱性能的快速評 估方法，特別是一種基于歸一化瞬態電壓曲線的固晶層散熱性能快速評估方法，W解決K 系數標定和測量熱耗散功率帶來的操作復雜，費時的問題。
[0006] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0007] 一種大功率L邸器件固晶層散熱性能的快速評估方法，包括W下步驟：
[0008] 步驟10 ;搭建用于測量大功率LED器件瞬態電壓的測試系統；
[0009] 步驟20 ;利用所述測試系統測量大功率L邸器件加熱電流切換至測量電流的冷卻 電壓曲線；
[0010] 步驟30 ;對電壓曲線進行歸一化處理；
[0011] 步驟40 ;對歸一化的電壓曲線進行等效數學變換，獲得時間常數譜；
[0012] 步驟50 ;對時間常數譜進行分析，提取表征固晶層散熱性能的特征參數。
[0013] 進一步，所述步驟10包括：
[0014] 步驟101 ;提供恒流模塊、高速開關模塊、恒溫臺、數據采集模塊和計算機；
[001引步驟102 計算機為中心分別連接并控制恒流模塊、高速開關模塊和數據采集 模塊；恒流模塊接收計算機控制信號，其輸出到大功率L邸器件的加熱電流或者測試電流， 受到與之相連的高速開關模組控制；高速開關模組的狀態由計算機決定；數據采集模塊輸 入端連接大功率L邸器件，采集器件兩端的電壓信號，并將結果輸出至計算機；大功率LED 器件貼附于良好接觸的恒溫臺。
[0016] 進一步，所述步驟20包括；計算機控制恒流模塊和高速開關模塊向大功率L邸器 件輸出加熱電流，達到熱平衡后，控制恒流模塊和高速開關模塊切換至測試電流，同時控制 數據采集模塊對大功率L邸器件進行電壓參數采集，直至熱平衡。
[0017] 進一步，所述步驟30包括；將采集的電壓Vj.(t)利用W下公式進行歸一化處理，得 到歸一化電壓Vltonml似，
[001 引
【主權項】
1. 一種大功率LED器件固晶層散熱性能的快速評估方法，其特征在于：包括以下步 驟： 步驟10 :搭建用于測量大功率LED器件瞬態電壓的測試系統； 步驟20 :利用所述測試系統測量大功率LED器件加熱電流切換至測量電流的冷卻電壓 曲線； 步驟30 :對電壓曲線進行歸一化處理； 步驟40 :對歸一化的電壓曲線進行等效數學變換，獲得時間常數譜； 步驟50 :對時間常數譜進行分析，提取表征固晶層散熱性能的特征參數。
2. 根據權利要求1所述的一種大功率LED器件固晶層散熱性能的快速評估方法，其特 征在于：所述步驟10包括： 步驟101 :提供恒流模塊、高速開關模塊、恒溫臺、數據采集模塊和計算機； 步驟102 :以計算機為中心，分別連接并控制恒流模塊、高速開關模塊和數據采集模 塊；恒流模塊接收計算機控制信號，其輸出到大功率LED器件的加熱電流或者測試電流，受 到與之相連的高速開關模組控制；高速開關模組的狀態由計算機決定；數據采集模塊輸入 端連接大功率LED器件，采集器件兩端的電壓信號，并將結果輸出至計算機；大功率LED器 件貼附于良好接觸的恒溫臺。
3. 根據權利要求1所述的一種大功率LED器件固晶層散熱性能的快速評估方法，其特 征在于：所述步驟20包括： 計算機控制恒流模塊和高速開關模塊向大功率LED器件輸出加熱電流，達到熱平衡 后，控制恒流模塊和高速開關模塊切換至測試電流，同時控制數據采集模塊對大功率LED 器件進行電壓參數采集，直至熱平衡。
4. 根據權利要求1所述的一種大功率LED器件固晶層散熱性能的快速評估方法，其特 征在于：所述步驟30包括：將采集的電壓Vj(t)利用以下公式進行歸一化處理，得到歸一化 電壓VN ormal⑴，
其中'(0)為切換至測試電流瞬間的電壓值，'( <-)為切換至測試電流熱平衡后的電 壓值。
5. 根據權利要求1所述的一種大功率LED器件固晶層散熱性能的快速評估方法，其特 征在于：所述步驟40包括： 步驟401 :根據導通電壓Vj(t)，結溫Tj(t)，和瞬態熱阻Zj(t)三者之間的關系： Tj(t) =Tc+K? [VjW-V^ °〇 )]
其中，T。為冷板的參考溫度；K為電壓溫度線性系數；Pth為熱耗散功率；ti=RjCi，為 時間常數；氏和Ci為熱傳導路徑上每層結構的熱阻和熱容； 得到歸一化電壓VNmial(t)的具體表達式：
其中ERi為熱傳導路徑上每層結構的熱阻總和，RNi為熱傳導路徑上每層結構的歸一 化熱阻； 步驟402:將歸一化電壓VNOTmal(t)關于時間常數t的離散譜連續化，并將時間t和時 間常數T對數化：
步驟403 :將上述等式兩邊取微分：
其中：W(z) =exp(z_exp(z)) 步驟404 :基于貝葉斯反卷積方法，可以得到時間常數譜RN為：
其中n為迭代次數，RNk為時間常數譜對應的向量，Wjk=exp(z|k-exp(Zj_ | k))。
6.根據權利要求1所述的一種大功率LED器件固晶層散熱性能的快速評估方法，其特 征在于：所述步驟50包括： 時間常數譜中固晶層對應的峰值為第二峰值，從第二峰值中提取峰值幅值RN2，將固晶 層的峰值幅值1?隊與設定的閾值進行比較，利用它們的差異性實現固晶層的散熱性能評估； 閾值是通過以下方法進行設定：A、正常LED器件測試得到的固晶層的峰值幅值；B、同型號 的批次LED器件測得的固晶層幅值通過3 〇準則確定。
【專利摘要】本發明涉及一種大功率LED器件固晶層散熱性能的快速評估方法，屬于半導體器件測試技術領域。包括以下步驟：步驟一：搭建用于測量大功率LED器件瞬態電壓的測試系統；步驟二：利用所述測試系統測量大功率LED器件加熱電流切換至測量電流的冷卻電壓曲線；步驟三：對電壓曲線進行歸一化處理；步驟四：對歸一化的電壓曲線進行等效數學變換，獲得時間常數譜；步驟五：對時間常數譜進行分析，提取表征固晶層的特征參數以實現其散熱性能的評估；方法利用歸一化的電壓曲線得到的時間常數譜的特征參量進行固晶層的散熱性能評估，無需進行K系數的標定和耗散熱功率的測試，因此操作簡單，省時，便于批量大功率LED器件固晶層散熱性能的快速評估。
【IPC分類】G01N27-00
【公開號】CN104569065
【申請號】CN201510078344
【發明人】劉顯明, 賴偉, 陳偉民, 雷小華, 臧志剛, 唐孝生
【申請人】重慶大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年2月13日