半导体器件两种结壳热阻测试方法对比研究

半导体器件两种结壳热阻测试方法对比研究

李飞安海华

西安卫光科技有限公司陕西西安710065

摘要：对国际上公认的两种半导体器件结壳热阻测试方法美军标MIL-STD-750F和JEDEC标准进行对比测试研究。通过双极性晶体管和MOSFET两种不同类型的器件，用Phase12进行实测，得到了不同方法下的热阻值与曲线。分析了两种测试方法原理及测试结果的差异，科研生产提供参考。

关键词：一维传热；NMOSFET；结壳热阻Rthj-c；K系数；温度敏感参数TSP

一、热模型

近似认为半导体的热耗散结到封装外壳表面是一维路径下传热，将它和一个理想的热沉相接触。在其上表面施加一定单位的功率并均匀地分布在表面上，这个简单的热模型就是一个有限阶RC网络模型近似半导体封装器件热模型。封装热模型中，由若干个热阻和热容组成基本单元以一定的方式分布，这种分布式结构可近似为一个具有精细网格的模型网络。将该结构划分为许多个基本单元格，每个单元格的子网络由它自身的热容与相邻单元格间的热阻组成。由于结构函数与RC网络理论及其含义密切相关，因此引进时间常数概念，在结构函数中代表时间常数谱。这里定义的RC网络具有以下特征：网络是线性和无源的；驱动点行为已知；假定热流基本上是一维的[N2]。

在最简单的封装热模型中，含有一个热阻和一个热容。这两个因素是并联连接。给这个模型施加PH的功率，温度将以指数形式上升：

（A1）

其中（A2）

器件的物理结构通常是复杂的，并且具有多个时间常数。因此，以指数函数值表示器件的温度响应会更精确：

（A3）

二、美军标准结壳热阻测试

美国军用标准MIL-STD-750F方法3100系列和MIL-STD-883K方法1012.1的半导体器件结壳热阻的定义是：将器件表面与水冷铜热沉相接触，直接测量结与壳的温度差。确定结温Tj，壳温Tc以及热耗散功率PH，并且要求器件外壳与热沉良好接触。结壳热阻采用下式计算：

（A6）

式（A6）中Rthj-c指的是稳态热阻，因为它是在稳态条件下得到的，并且它取决于热流路径上的结壳温度差。该测量方法的难点在于外壳与热沉紧密接触时，很难用热电偶精确测量封装体的最高壳温。因此，在规定的驱动点上用热电偶测量壳温。驱动点设定在加热源之下的管壳上。热电偶材料为铜-康铜（T型）或等效的。热电偶直径不大于0.3mm。热电偶的结应是熔焊，以构成球形。

选择器件内部二极管正向电压作为温度敏感参数。

三、JEDEC标准结壳热阻测试

JEDEC标准结壳热阻测试采用的是瞬态双界面测试法。该方法要求对同一个半导体器件在控温热沉上测量两次ZθJC。第一次测量时器件与热沉直接接触（干接触），第二次测量时器件与热沉之间涂一层很薄的导热胶或油脂。第一次测量时，由于器件与热沉之间的接触面有一定的粗糙度，使得接触热阻增大，所以在某一时刻ts开始ZθJC曲线存在明显的分离。TO-257封装WVM65N20瞬态双界面法（TDI）热阻测试曲线。由于热流进入热界面层时，两条ZθJC曲线就开始分离，因此ZθJC（ts）在该点的值接近于方程（A6）定义的稳态热阻RthJ-C。通过ZθJC曲线分裂点可以估算得到RthJ-C。

首先给待测器件施加恒定的加热电流IH，使其加热并达到热稳定状态，即芯片结温保持不变。去掉加热功率PH后采集曲线。

当器件达到热稳态，记录最终的加热电压VH和加热电流IH，切断加热电流或者将电流切换至测试电流IM，这会产生一个很大的功率差ΔPH。器件的热功耗若考虑了PM（由IM电流产生的功耗），该方法会更准确。加热功率差ΔPH=PH-PM越大，测试的信噪比越大（SNR），同时得到的热阻（RthJ-C）越精确。

t=0时刻的信号可使温度敏感参数（TSP）信号作为时间的函数从t=0开始记录直到冷却稳态。采样率应保证每个时间段内至少采集50个点。K系数按照式（A7）进行。根据待测器件的K系数，将TSP转换为结温TJ(t)。

切断加热电流时，在ZθJC起始阶段不可避免地会受到电子干扰，因而使得开始时刻短时间内测得的信号无效。为了重建t=0时的结温TJ0，需要加一个“偏移校正”。

选用三极管3DD159和WVM65N20进行结壳热阻测试对比。控制热沉恒温25℃，将器件安装在恒温的良好热沉上，器件上部均匀施加压力，其大小为400KPa。不涂抹导热介质干接触测量ZθJC1曲线，再涂抹导热硅脂测量ZθJC2曲线。

根据冷却曲线计算ZθJC：

（A9）

计算两次测量ZθJC曲线达到稳态后的最小差值。最小差值∆θ=ZθJC1-ZθJC2≥0.5K/W。对于高热导率粘结层（如焊料）的功率半导体器件使用由ZθJC1和ZθJC2曲线的分离点计算。对于低热导率粘结层（通常为胶）的功率半导体器件由相应的结构函数分离点计算[N4]。功率半导体器件的粘结层材料未知时综合两种方法，取其中较高的热阻值作为RthJ-C值。

用ZθJC的微分曲线确定分离点Rthj-c。设时间对数为z=ln(t)，a(z)表示ZθJC曲线关于z的函数，则有

a(z)=ZθJC(t=exp(z))z=ln(t)(A10)

四、结论

美军标MIL-STD-750F方法测试是在稳态条件下得到的，并且它取决于热流路径上的结壳温度差。该测量方法的难点在于外壳与热沉紧密接触时，很难用热电偶精确测量封装体的最高壳温。因此重复测量得到不同的Rthj-c值。使用该方法测试的优点在于：除了得到稳态热阻Rthj-c值，也会得到器件的理想环境下的最大功率、最高结温、最大壳温，这在实际工程使用中具有指导意义。

参考文献

[N1]MIL-STD-883K,METHOD1012.1,ThermalCharacteristicsofIntegratedCircuits,4November1980

[N2]JESD51-1,IntegratedCircuitThermalMeasurementMethod-ElectricalTestMethod