半导体器件热阻测试方法，基于MIL-STD-883及750

PEELAY

半导体器件在工作时通常都会产生一定的热量，若这些热量不及时散发，将会导致半导体器件内部的芯片结温升高，引发器件产生热击穿、结失效、电迁移扩散等失效现象。随着制造工艺的不断提高，芯片面积在不断缩小，芯片上的晶体管数量却是越来越多，高密度封装、大功率从而引发的芯片过热问题，一直是微电子封装技术发展考虑的首要问题之一。 在热量传递过程中，类似于电学中的电阻概念，产生了热阻。热阻表示介质吸收1W热量后该传热路径介质的温升，单位为K/W或℃W。热阻通常表示芯片内部的主要传热路径，一般根据热阻测量值来预测芯片的结温。
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3 C7 U0 o9 y+ N8 Z  \( YMIL-STD-883方法1012主要是测定微电子器件的热性能，包括微电子器件的结温、热阻、壳温和安装表面温度，以及热响应时间。标准里规定了试验所需的设备：热电偶（温度范围-180℃~370℃）、能使规定参考点恒温的可控温箱或散热器（±0.5℃）、提供可控电源和进行规定测量所需的电学设备（最小应能测量0.5mV的电压变化）、红外微辐射仪（测量 1μm～6μm 范围内的辐射范围、最小40μm的空间区域、60℃温度分辨率为0.5℃）、用于安装被试微电子器件的典型散热器（主散热器为水冷）、热探针组件。 半导体器件的热阻是衡量半导体器件的载体、封装壳体及其组装工艺在提供散逸半导体结热量的能力。当外壳温度、功耗和结温已知时，微电子器件的热阻可以用计算方法得到。因此需要选择芯片上功耗密度（W/mm2）最大的结直接进行测量，因为该结是在芯片上温度最高的位置。如果热电偶不能靠近该结而靠近了另一个结进行测量，那么，就不能确保测得的是芯片上的最高温度。当测得结至外壳的温度差达到或接近其最终值的99%时，可以认为封装壳体已达到热平衡。 热阻的测量有两种方法：
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• 直接测量结温以确定Rth（J-R）。采用红外微辐射仪可以直接测量半导体芯片内部热限制器件的结温，去掉封装壳体的帽或顶盖，以暴露出有源芯片或器件。
  
  

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• 间接测量结温以确定Rth（J-R）。采用芯片上特定半导体元件给出器件的结温来确定集成电路的热阻。为了获得实际平均工作结温Tj（平均），应给封装壳体内的整个芯片或每个芯片通电，以提供合适的内部温度分布。
  
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半导体分立器件

MIL-STD-750方法3100是核实半导体分立器件在老炼和寿命试验环境下结温（Tj）是否达到了规定的数值。这样在老炼和寿命试验时进行加速寿命试验，可以准确测量器件的结温才能准确的计算出器件的长期可靠性。

有两种测试方法可用，这两种方法均需用到器件的温度敏感参数（TSP）。该温度敏感参数的初始值在所要求的结温（Tj）和所选定的测试电流下测得。

• 第一种测试方法，选取不会产生有效热量的低测试电流（类似于热阻的测量），用于TSP测量，测试需要至少5只样品。
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• 第二种测试方法，采用一连串连续的电流脉冲来测量所要求的结温（Tj）和在老炼和寿命试验环境中要求相同的工作电流范围内的敏感参数（TSP），然后在以后的老炼和寿命试验中，就可以重复比对这些温度敏感参数（TSP）以验证老炼和寿命试验是否达到了相同的结温（Tj），测试需要至少5只样品。其中老炼和寿命试验环境也可以称为试验环境。
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该标准给出了两种测试方法中所需的设备以及测试流程，最后还给出了第三种测试方法，该方法仅适用于壳安装好的功率器件，并且器件在老化或寿命试验中的工作功率和电流范围仍低于器件的额定功率。

MIL-STD-750方法3103是测量绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在施加规定电压、电流和脉冲持续时间条件下的热阻抗。在施加集电极-发射极电压和小发射极电流的条件下，使用栅极-发射极开态电压的温度敏感性作为结温指示计。本方法特别适用于具有相对长的热响应时间的增强型功率IGBT器件，也可以用来测量直流热阻，并保证芯片正确地安装到管壳。

MIL-STD-750方法3104是测量砷化镓场效应晶体管（GaAs MESFET）在施加的规定电压、电流和脉冲宽度条件下的热阻。使用栅-源二极管正向电压的温度敏感性作为结温指示计，本方法适用于完整封装的器件。 MIL-STD-750方法3161是测量绝缘栅功率场效应晶体管（MOSFET）在施加规定的电压、电流和脉冲持续时间条件下的热阻抗。使用源-漏二极管正向电压的温度敏感性作为结温指示计。本方法特别适用于具有相对长的热响应时间的增强型功率MOSFET。为保证芯片正确安装到它的管壳，通过适当的选择脉冲持续 时间和加热脉冲大小，本方法可用来测量结对加热脉冲的热响应或直流热阻。
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参考文献：MIL-STD-883、MIL-STD-750

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