DB52T 1104-2016 半導體器件結-殼熱阻瞬態測試方法

ICS31.080.01DB52DB52/T1104—2016半導體器件結-殼熱阻瞬態測試方法Junction-to-casethermalresistancetransienttestmethodofsemiconductordevices（JESD51-142010，TransientDualInterfaceTestMethodfortheMeasurementoftheThermalResistanceJunctiontoCaseofSemiconductorDeviceswithHeatFlowTroughaSinglePath，MOD）貴州省質量技術監督局發布IDB52/T1104—2016 12規范性引用文件 13術語和定義 14符號和縮略語 15結-殼熱阻測量 1 6附錄A（規范性附錄）基于熱阻抗曲線Zth(J-C)分離點確定Rth(J-C) 7DB52/T1104—2016本標準按照GB/T1.1-2009《標準化工作導則第1部分：標準的結構和編寫》給出的規則起草。請注意：本標準的某些內容可能涉及專利內容，本文件的發布機構不承擔識別這些專利的責任。本標準使用重新起草法修改采用JESD51-142010《測量具有單一熱流路徑的半導體器件結殼熱阻的瞬態雙界面測試法》。本標準與JESD51-142010相比，在結構上增加了一章（4刪除了一章（7）。本標準與JESD51-142010的技術性差異及其原因如下：——將JESD51-142010第4.2.1瞬態雙界面測量原理進行精簡后，寫入本標準5.4瞬態雙界面測量中，以增加可操作性；——刪除了JESD51-142010第4.2.2溫度控制散熱器部分，以適應我國的技術條件；——將JESD51-142010第4.2部分定義的無/有導熱硅脂或熱油兩種測試狀態，重新定義為低/高導熱兩種測試狀態，以適應我國的技術條件；——根據JESD51-142010測試原理，本標準增加了測試原理圖、測試時序圖，以增加可操作性；——本標準對兩條瞬態熱阻抗曲線的分離點確認和結-殼熱阻的計算只規定原理，不限制實現方法，以適應我國的技術條件。本標準做了下列編輯性修改：——將標準名稱修改為《半導體器件結-殼熱阻瞬態測試方法》；——將JESD51-142010第5章調整為本標準資料性附錄A；——關于規范性引用文件，調整如下：——刪除了JESD51-142010附錄A、B、C、D。本標準由貴州省機械電子產品質量監督檢驗院提出。本標準由貴州省質量技術監督局歸口。本標準起草單位：貴州省機械電子產品質量監督檢驗院、中國振華集團永光電子有限公司。本標準主要起草人：李明貴、禹忠、付悅、岳萍、劉德軍、鐘健思、曹珩、章俊華、林小文、邵建平、馬靜。DB52/T1104—20161半導體器件結-殼熱阻瞬態測試方法本標準規定了具有單一熱流路徑的半導體器件結-殼熱阻Rth(J-C)的瞬態測試方法。本標準適用于具有單一熱流路徑的半導體器件。2規范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T11499半導體分立器件文字符號GB/T14862半導體集成電路封裝結到外殼熱阻測試方法GJB548B微電子器件試驗方法和程序3術語和定義GB/T11499《半導體分立器件文字符號》確立的以及下列術語和文字符號適用于本標準。4符號和縮略語GB/T11499《半導體分立器件文字符號》確立的符號及縮略語適用于本標準。5結-殼熱阻測量5.1測試原理5.1.1冷卻曲線法通過對被測器件施加一恒定的加熱功率，使被測器件的管芯溫度（結溫）升高，達到熱平衡后，切斷加熱功率，不斷測試被測器件的結溫，直至達到冷態平衡，作出結溫隨時間的變化曲線，利用結溫隨時間的變化曲線計算出瞬態熱阻抗Zth(J-C)曲線；通過給被測器件的管殼施加兩種不同的散熱方式，作出兩條瞬態熱阻抗Zth(J-C)曲線，將兩條瞬態熱阻抗Zth(J-C)曲線繪制在同一坐標系中，兩條瞬態熱阻抗Zth(J-C)曲線的分離點的Zth(J-C)即為半導體器件結-殼熱阻Rth(J-C)。5.1.2加熱曲線法如果對被測器件施加一恒定的加熱功率不會干擾采集被測器件管芯的溫度敏感參數，也可以在施加加熱功率的同時不斷測試被測器件的結溫，直至達到熱態平衡，作出結溫隨時間的變化曲線，后處理同5.1.1。2DB52/T1104—20165.2測試電原理圖測試電原理見圖1。圖1測試電原理圖5.3測試步驟5.3.1測試被測器件的熱敏系數（K-系數）被測器件的熱敏系數K按照GB/T14862中4.4.4所述方法測量。5.3.2測試溫度敏感參數（TSP）曲線先接通圖1中開關K1-1、K1-2，給被測器件（芯片）接通恒定加熱電流IH，加熱器件，使其達到熱平衡(直到結溫保持恒定)；達到熱平衡后，記錄好最終加熱電壓VH及加熱電流IH。斷開K1-1、K1-2開關，切斷加熱電流IH，接通K2-1、K2-2開關，給被測器件（芯片）接通恒定測試電流IM，測試、保存被測器件的溫度敏感參數，采樣速率應為每十倍時間至少取樣50次，直至達到冷態平衡，測試時序見圖2。I熱平衡冷平衡VtV加熱階段測量階段VHt1t2t3t4t5t圖2測試時序圖DB52/T1104—201635.3.3計算結溫（TJ(t)）曲線根據被測器件的熱敏系數（K-系數）和溫度敏感參數值計算出結溫TJ(t)，結溫的計算方法按照GB/T14862中4.4.4，并繪制出結溫曲線。圖3所示為采用冷卻法得到的結溫曲線。圖3冷卻法結溫曲線的半對數坐標圖5.3.4偏差校正由于在切斷加熱電流的瞬間存在干擾，導致從t2到t3之間采集的溫度敏感參數是無效的，必須丟棄，但這段時間內的結溫變化?TJ(tcut)又不能忽略。根據在短時間內，結溫變化?TJ(t)與時間的平方根t之間存在近似線性關系，可通過曲線擬合方式得到t2到t3之間丟棄的結溫曲線。切斷加熱電流瞬間的初始結溫TJ0的確定圖見圖4。DB52/T1104—20164圖4確定初始結溫TJ05.3.5計算Zth(J-C)曲線根據冷卻曲線TJ(t)，采用公式（1）計算Zth(J-C)曲線。當t＞tcut.....................(1)如果被測器件的芯片提供獨立的加熱和測試結構，還可記錄加熱曲線（恒定加熱功率），而不是冷卻曲線。但是，必須注意在加熱時間內，保持功率損耗恒定。可進行類似的偏差校正，但必須采用公式（2）計算Zth(J-C)曲線。當t＞tcut.......................(2)5.4瞬態雙界面測量5.4.1低導熱條件下的Zth(J-C)曲線測量將被測器件與散熱器接觸面上的粘附材料仔細清理干凈，被測器件直接安裝在散熱器上，切勿使用任何熱界面材料，見圖5（a）。按5.3所述方法進行Zth(J-C)測量，繪制出的Zth(J-C)曲線被稱為Zth(J-C)1。5.4.2高導熱條件下的Zth(J-C)曲線測量在被測器件與散熱器的接觸面上涂上一層薄薄的導熱硅脂或熱油，見圖5（b）。按5.3所述方法進行Zth(J-C)測量，繪制出的Zth(J-C)曲線被稱為Zth(J-C)2。DB52/T1104—20165圖5瞬態雙界面測量安裝示意圖說明a）——低導熱條件安裝示意圖（b）——高導熱條件安裝示意圖圖6不同散熱條件下的Zth(J-C)曲線5.4.3熱阻Rth(J-C)的確定被測器件安裝散熱條件的不同，導致Zth(J-C)曲線（圖6）在時間點tS時明確分離。由于兩條Zth(J-C)曲線在熱流進入熱界面層時開始分離，此處Zth(J-C)(tS)接近穩態熱阻Rth(J-C)。對Zth(J-C)曲線的分離點情況進行評估，從而得出Rth(J-C)。經驗表明，Zth(J-C)曲線的差異越小，就越不容易找到或甚至找不到Zth(J-C)曲線的分離點，這一差異應明顯大于Zth(J-C)曲線測量點的離散值。DB52/T1104—201666需報告信息出于完整性，與測量的結殼熱阻Rth(J-C)一起，應當報告有關所有試驗條件和確定數值的數據評估方法的信息；有關與熱數據一起提供的信息，參見表1。如果沒有該信息，熱數據或熱規范的呈現是毫無意義的。表1需要與熱數據一起提供的信息DB52/T1104—20167（規范性附錄）基于熱阻抗曲線Zth(J-C)分離點確定Rth(J-C)A.1分離點的定義嚴格來說Zth(J-C)曲線并沒有明確分離點，但是曲線之間的差值會在某段時間范圍內加大（圖A.1）。因此有必要對這個時間tS進行更精確的定義。因為Zth(J-C)1和Zth(J-C)2的導數曲線（圖A.2）的分離點相對原曲線來說更加容易定義，我們通過對Zth(J-C)曲線的導數曲線進行評估來確定分離點，如果z=ln(t)是對數時間值，那么a(z)就是Zth(J-C)值，相當于z的函數，也就是說：a(z)=Zth(J-C)(t=exp(z))forz=ln(t)................(A.1)DB52/T1104—20168圖A.2（a）圖6兩條Zth(J-C)曲線的導數曲線da1/dt和da2/dt（b）差值Δ(da/dz)=da1/dz-da2/dz圖A.3規范差值δ=(da1/df-da2/dt)/Δθ曲線兩條Zth(J-C)曲線（參見圖6）的差值Δθ對導數曲線的差值(Δ(da/dz)=da1/dz-da2/dz）也有影響。為了盡量減小這種影響，Δ(da/dz)需以Δθ進行規范化(圖A.3)，該曲線與Zth(J-C)2(t)形成對比，就可以直接從圖上獲得Rth(J-C)(圖A.3)：DB52/T1104—20169.........................(A.2)定義Zth(J-C)1和Zth(J-C)2曲線的分離點為δ曲線與某個限值ε相交時的最大時間值tS。結-殼熱阻Rth(J-C)即為Zth(J-C)2(ts)，可從δ曲線(圖A.3)得出最大的Zth(J-C)值。A.2ε選擇根據以上定義，Rth(J-C)值即為限值ε函數。為了與傳統的結殼熱阻定義保持一致，限值ε必須進行選擇，以便得出的Rth(J-C)與穩態熱阻盡量靠近。因半導體器件的實際穩態Rth(J-C)不可提前得知（也不可通過其它方法進行精確測量），因此需依靠有限元模擬來進行正確的ε計算。有限元模擬顯示出ε的數值取決于芯片尺寸和引線框幾何形狀。總體趨勢來說，Rth(J-C)較小的半導體器件的ε值較小，Rth(J-C)值較高的ε數值較大。ε曲線交叉點的橫坐標根據對不同芯片的尺寸和引線框幾何形狀的有限元仿真，可用以下走勢線計算得出ε:ε=0.0045W/K.Rth(J-C)+0.003......................(A.3)結殼熱阻值Rth(J-C)是δ曲線和ε曲線交叉點的橫向坐標，參見圖A.4。為了避免最后結果受到δ曲線隨意波動的影響，將用適當的擬合函數進行替代，比如指數擬合曲線。δ=α.exp(β.Zth(J-C))..............................(A.4)A.3評估步驟根據測量的Zth(J-C)1和Zth(J-C)2曲線可按以下步驟進行結-殼熱阻計算：第1步：將測量點的時間數值{t1,...,tn}(以秒為單位)轉化為對數時間值{zi=ln(ti)}。對數時間標度最小值（最大值）為zmin（zmax）。DB52/T1104—2016圖A.5按照實測Zth(J-C)曲線計算導數da/dz第2步：計算導數da1/dz和da2/dz。可按圖A.5所示的測量點{(zi,Zth(J-C)(ti))}1/2的分段線性內插完成該計算。為計算da1/dz和da2/dz的差值，重要的是要計算同一點{z1,...,zm}的導數，應在區間[zmin,zmax] 內等距分布。內插點的數量應大于或等于100。同時需要內插點處的Zth(J-C)值{a