如何用T3Ster測(cè)試IC的熱特性

近期不少客戶咨詢，如何測(cè)試封裝IC類樣品的熱特性，以及結(jié)溫與封裝熱阻的測(cè)量。在本文中，將結(jié)合集成電路熱測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和載板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)向大家介紹如何用T3Ster瞬態(tài)熱阻測(cè)試儀測(cè)試IC產(chǎn)品的熱特性。

介紹

隨著電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電子組件的發(fā)展趨勢(shì)朝向高功能、高復(fù)雜性、大量生產(chǎn)及低成本的方向。組件的發(fā)熱密度提升，伴隨產(chǎn)生的發(fā)熱問題也越來越嚴(yán)重，而產(chǎn)生的直接結(jié)果就是產(chǎn)品可靠度降低，因而熱管理相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也越來越重要。電子組件熱管理技術(shù)中最常用也是重要的評(píng)量參考是熱阻，對(duì)于IC 封裝產(chǎn)品，最重要的參數(shù)是由芯片熱源到固定位置的熱阻，其定義為：

熱阻值一般常用 θ或是 R 表示，其中 Tj 指芯片熱源的結(jié)溫，Tx 為熱傳到某點(diǎn)位置的溫度，P 為發(fā)熱功率。熱阻大表示熱量不容易傳遞，散熱效果差，因此器件工作時(shí)產(chǎn)生的溫度就比較高，產(chǎn)品可靠性下降。電子系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，為了預(yù)測(cè)及分析組件的溫度，需要使用熱阻值的數(shù)據(jù)，因而設(shè)計(jì)人員除了需提供良好散熱設(shè)計(jì)，更需提供可靠的熱阻。 最常見的熱阻參數(shù)：RJA（結(jié)到環(huán)境熱阻），RJC（結(jié)到殼熱阻）和RJB（結(jié)到板熱阻）。當(dāng)知道參考溫度（環(huán)境、箱子、板），功耗以及相關(guān)的熱阻值時(shí)，即可計(jì)算結(jié)溫。當(dāng)封裝的IC直接安裝到PCB或散熱器的高導(dǎo)熱封裝時(shí)，RJC就非常重要，RJB則表示了IC到PCB板的散熱熱阻。而RJA通常需要在JESD51-2A中規(guī)定的熱阻測(cè)試環(huán)境中測(cè)試。

JESD51-2A的熱阻測(cè)試環(huán)境：（標(biāo)準(zhǔn)靜止空氣箱）。

圖一：標(biāo)準(zhǔn)靜止空氣箱

Rthj-bottom表示結(jié)到塑封料底面(case bottom)的熱阻，不含金屬焊料表面。

Rthj-board表示結(jié)到PCB板背面的熱阻。遵循的標(biāo)準(zhǔn)JEDEC51-14一維傳熱路徑雙界面分離法。

Rthjt表示結(jié)到器件塑封料頂部（top）的熱阻。遵循的標(biāo)準(zhǔn)JEDEC51-14一維傳熱路徑雙界面分離法。

Rthja表示結(jié)到環(huán)境（air）的熱阻，遵循的標(biāo)準(zhǔn)JEDEC51-2集成電路自然對(duì)流熱測(cè)試環(huán)境要求及測(cè)試方法。

圖二：熱阻參數(shù)定義

IC熱阻測(cè)量方法

由于一般 IC 封裝時(shí)芯片發(fā)熱區(qū)會(huì)被封裝材料覆蓋，無法直接測(cè)量芯片工作時(shí)的溫度，因此熱阻量測(cè)所采用的方式一般是利用電性特性來量測(cè)，即JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中的ETM電壓法測(cè)量。

圖三：JEDEC JESD 51半導(dǎo)體熱測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

例如芯片上的二極管或晶體管的溫度及電壓特性，由于導(dǎo)通時(shí)正向壓降和溫度會(huì)呈線性關(guān)系，因此可用來作為溫度敏感參數(shù)(Temperature Sensitive parameter)。

圖四：電壓法測(cè)試結(jié)溫原理

T3Ster作為一款先進(jìn)的半導(dǎo)體器件封裝熱特性測(cè)試儀器，能幫助用戶在數(shù)分鐘內(nèi)獲取各類封裝的熱特性數(shù)據(jù)。它能夠通過電壓法精確測(cè)量IC器件的結(jié)溫和封裝熱阻，然而IC的內(nèi)部電路十分復(fù)雜，不像分立器件可以直接對(duì)其二極管特性進(jìn)行測(cè)量，我們需要找到其電壓特性來進(jìn)行熱測(cè)試。一般而言，對(duì)于CMOS工藝的IC，我們可用其體二極管作為熱源進(jìn)行熱測(cè)試。

圖五：COMS結(jié)構(gòu)測(cè)試其體二極管

當(dāng)不滿足這種測(cè)試方式時(shí)，可采用熱測(cè)試芯片（thermal test chip）來進(jìn)行封裝的熱阻測(cè)量。熱測(cè)試芯片是為了提供統(tǒng)一的加熱結(jié)構(gòu)(如電阻或有源器件)而專門設(shè)計(jì)的，包括一個(gè)或多個(gè)小的、規(guī)律性排布的溫度感應(yīng)二極管。加熱結(jié)構(gòu)必須占芯片總面積的85%以上。電阻可以設(shè)計(jì)為單一單元或者兩個(gè)或多個(gè)隔離的電阻器一起，但總面積必須滿足此覆蓋率要求。通常會(huì)優(yōu)選后一種結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗梢栽谠O(shè)置加熱源時(shí)提供更大的靈活性。如果芯片中包含有單個(gè)二極管，則通常會(huì)放在芯片的中心。

圖六：典型的熱測(cè)試芯片原理圖及測(cè)試連接

熱阻測(cè)試載板

當(dāng)一個(gè)IC樣品滿足了電壓法測(cè)量條件后，為了便于接線和操作，以及確保測(cè)試結(jié)果的可靠性和可比性，需要制作標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試載板，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試載板可幫助工程師評(píng)估器件的熱性能，確定適當(dāng)?shù)纳岽胧┖驮O(shè)計(jì)參數(shù)，提高IC器件的可靠性和性能。

載板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JESD51-7和JESD51-9對(duì)測(cè)試載板的尺寸、材料和表面處理等方面都作出了嚴(yán)格的要求，這些要求可以更好地控制測(cè)試條件，從而減少測(cè)試誤差。

圖七：典型的熱阻測(cè)試載板1

圖八：典型的熱阻測(cè)試載板2

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試載板制作完成后，將IC焊接在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試載板上，就可以用T3Ster測(cè)量其熱特性。

圖九：貝思科爾實(shí)驗(yàn)室T3Ster實(shí)測(cè)IC樣品

圖十：T3Ster記錄樣品的瞬態(tài)溫度響應(yīng)

圖十一：通過數(shù)據(jù)處理得到樣品的Rja值

總結(jié)

利用T3Ster測(cè)試IC樣品的熱特性，我們首先需確定其電壓特性，通過芯片的反向二極管、襯底二極管或者是制作熱測(cè)試芯片等方式實(shí)現(xiàn)，再將芯片焊接在標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試載板上，才能對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量。

貝思科爾（BasiCAE），專注于為國(guó)內(nèi)高科技電子、半導(dǎo)體、通信等行業(yè)提供先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、工程仿真分析（CAE）、半導(dǎo)體器件熱阻（Rth）及功率循環(huán)（Power Cycling）熱可靠性測(cè)試，以及研發(fā)數(shù)據(jù)信息化管理的解決方案和產(chǎn)品服務(wù)。

審核編輯：湯梓紅