茹志芹，刘东月，刘芳，李长普，赵莉红，黄杰
（1.国家半导体器件质量检验检测中心，石家庄 050000；
2.河北省半导体技术创新中心，石家庄 050000；
3.中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050000；
4.河北北芯半导体科技有限公司，石家庄 050000）
热阻是衡量半导体器件从芯片表面到封装表面的热扩散能力的参量，是衡量半导体器件可靠性最重要的热性能参数之一。在老化试验等可靠性试验中，需要通过器件的热阻确定试验条件和实际工作结温。结到壳热阻值越小，半导体器件的热性能越好，可靠性也越高。老化试验后可以通过热特性测试中的结构函数分析器件存在潜在失效的结构层。目前热阻测量方法主要有红外热像仪法、电学参数法、光谱法、光功率法等[1]。其中电学法因其为无损测量且测量精度高的优点，因此成为最为常用的热阻测量方法。
电学法包括加热法和冷却法。其中冷却法可相较于加热法更为快速便捷，并可通过算法获取结构函数等可以表征半导体器件的各层热阻构成的特征曲线，因此在近些年成为电学法热阻测试的主流方法。但由于测试时，器件需要从施加较大的加热功率快速切换为较小的测试功率，在切换的瞬间存在噪声从而导致一部分时间内的温敏参数无法准确测得。常用的做法是对噪声消散之后一段时间内的真实温敏参数进行拟合运算，反推出被噪声掩盖的时间段内的温敏数据，以此对结果做出补偿修正[2,3]。
但在实际测试中，尤其是大功率器件存在一些特殊的噪声形态，使用反推法对噪声进行修正时，会由于拟合数据选取或拟合方法不当而造成极大的错误，获得远远偏离准确值的热阻和结构函数等。根据热阻值确定的老化试验条件等也就不能正确反映器件的真实工作结温。本文就这些特殊情况下的噪声的补偿修正方法进行了分析研究，并给出合理的补偿修正方法。
1.1 冷却法测试原理
半导体器件的一些电学参数与温度具有良好的线性关系，如，二极管的PN结正向压降，双极型晶体管的基极-发射极电压，场效应晶体管的源极-漏极电压，IGBT的集电极-发射极电压或门极-发射极电压等。因此通过将这些电学参数作为温敏参数进行测量，可以间接获取器件的结温，称为“电学法”热特性测试。
冷却法的测量过程是，首先对半导体器件施加较大的加热功率，使其正常工作一定时间直至达到热平衡，然后使用快速电子开关快速关断加热功率，同时切换为不引起器件自发热的较小的测试条件，对其温敏参数进行采集，直至芯片结温冷却至加热前的温度。以二极管为例，热阻的测试波形时序图如图1所示。
图1 热阻测试波形时序图[3]
在整个冷却过程中快速（采样频率通常小于1 μs）采集器件的温敏电压，采集的数据点形成一条温敏电压随着时间变化的响应曲线。结合温敏电压和温度的线性关系，可以间接得到器件的结温响应曲线。通过对这一曲线数据进行反卷积运算即可得到热时间常数谱，进而通过结构函数分析其热阻的构成[2]。
以二极管为例，采集到的温敏参数VF的典型冷却曲线如图2所示。从图中可以看到，在关断加热功率切换为较小的测量电流后，在冷却过程的初始阶段，有一些明显的噪声点，呈现快速下降趋势，明显区别于之后的真实温敏电压数据点。且噪声点持续时间较短，约在50μs以内。
图2 典型的结温冷却曲线
1.2 噪声的补偿修正原理
噪声阶段对应的是非热学开关瞬态，无法真实反映器件结温的变化情况。其产生的原因可能包括：测试系统切换不够快，无法确保获得准确的电压测量；
或由于器件电容过大或其他问题致使器件切换不够快；
或测试系统和DUT之间存在显著电感等[4]。噪声导致在结温冷却过程中采集的温敏电压曲线的初始阶段出现失真。为了重建t=0时刻的结温则需要进行“补偿修正”。一些热阻测试标准简单描述了修正方法，如JESD 51-1中的最佳回归补偿，MIL-STD-750中的“反向投影法”等。其本质均是对噪声结束时刻之后的数据进行最小二乘法回归补偿运算，反推出零时刻的最高结温（或温敏电压）。
某些热阻测试系统的数据处理软件可较为方便地进行补偿修正。以某热阻测试系统为例，常规的噪声形态及其补偿如图2所示。虚线为拟合修正后的结果。拟合的匹配程度通过软件给出的拟合优度R2来判断。如果选取的观测值不合理，会导致拟合优度R2较小，则应重新选取拟合区域。通常应使拟合优度达到0.9以上。
对于常规的噪声形态，噪声持续至大约50 us即可完全消散，因此通常选择50 us之后的数据作为观测值进行拟合。如果噪声持续时间很短（大约小于50 μs），在如此短的时间内结温不会发生明显变化，则此时刻后的非噪声数据可不经过修正，直接作为零时刻的数值进行后续运算。
2.1 特殊噪声形态特征
在大量的半导体器件的热阻测量经验中，观察到某些器件的冷却过程开始的瞬间会出现明显有别于其它器件的噪声形态，尤其是在金属管壳封装的肖特基二极管的测试中较为常见。以某一金属管壳TO-258AA封装的SiC肖特基二极管的热特性测试为例，加热电流为5 A，冷却过程中的测试电流为10 mA，使用控温平台控制器件壳温为50 ℃。测得的冷却响应曲线如图3所示。可见该噪声形态与后半部分真实的结温数据没有明显的分界，而是二者呈现光滑且连贯的衔接趋势。
图3 特殊噪声形态示例
实验中观察到这种特殊形态的噪声大多出现在金属封装（如TO-254AA、TO-257AA、TO-258AA等）的二极管中，其产生原因可能为磁性管壳封装引脚上存在的“表面效应”。表面效应是高频电流趋向于聚集在导体的表面的现象。有研究表明由于晶体管封装管壳所用的磁性引线（如可伐合金）上存在的表面效应，使得其阻抗在高频下增大，进而导致热阻测量中的基极-发射极电压波形发生失真[5]。
2.2 特殊噪声形态的补偿修正方法
对于图5所示的噪声形态，如果仍然按照常规的拟合操作，选取从大约几十μs（本示例选择（90～140）μs）的数据作为观测值，虽然也可以得出匹配度很高的拟合结果，拟合优度R2甚至达到0.99，如图4所示。但是，由此得出的功率关断瞬间的最高结温和热阻显然远远大于正常值。对于此示例中，以（90～140）μs的数据点作为观测值进行拟合补偿得出的零时刻最高结温为94.7 ℃。如果选取（800～5 000）μs的数据作为观测值，得出的结温为64.4 ℃。拟合的响应曲线如图5所示。
图4 以（90~140）μs数据作为观测值的补偿修正结果
图5 以（800~5 000）μs数据作为观测值的补偿修正结果
可见两种拟合获得的零时刻的反推结果相差极大。获得正确的修正结果的关键是要准确分辨出噪声产生的温敏电压（或结温）数据和真实温敏电压（或结温）数据的分界，即选择合理的观测值数据区域。
半导体器件芯片作为发热源，在关断功率后的冷却过程中，热量传递主要为热传导。根据一维瞬态热流理论[6]，在二极管功率关断以后的冷却过程中，符合一维非稳态热传导问题。芯片的结温变化跟冷却时间的平方根近似成正比。即：
式中：
ΔT(t)—t时刻芯片结温与最终冷却后结温的差值；
PH—加热过程中施加的加热功率；
A—芯片面积；
c、ρ和λ—材料的热容、密度和热导率。
因此，根据数据点的变化趋势是否与成线性关系，即可判断其为噪声还是真实温敏电压数据。分别将以（90～140）μs和（800～5 000）μs的数据作为观测值进行补偿修正之后的结温变化ΔT(t)转化为的函数，并绘制曲线（取（0～800）μs的数据即可）。可见前者明显偏离线性关系，而后者与拟合直线完全重叠且线性拟合优度R2为1，如图6所示。由此可知，采用后者进行拟合补偿修正是合理的。用同样的方法选择不同区域的观测值进行拟合，结果证明，选择冷却曲线第一个拐点之后的一段较为平缓的数据（如本示例中800μs后的数据点）作为观测值进行拟合修正将能得到线性度良好的结果。
图6 两种拟合后的 T(t)和的线性关系对比
2.3 红外法测试结果比对
为进一步验证上述拟合补偿修正操作的合理性，取某一具有上述特殊噪声形态的样品采用了红外法进行热特性测试。三种情况的热阻结果总结见表1。
表1 两种拟合补偿修正及红外法测试结果
由以上结果可见，以（90～140）μs的数据作为观测值所得的结果远远偏离了另两者的数值。而以（800～5 000）μs的数据作为观测值进行拟合修正，所得的结果与红外法测试结果较为接近。进一步说明了（90～140）us内采集的数据仍为非热学开关瞬态所对应的噪声点。而选择冷却曲线第一个拐点之后的较为平缓的数据作为观测值进行拟合修正是合理的。
由以上分析可见，对噪声的正确识别和修正是决定最终热特性结果的关键，对噪声的识别和修正不当会导致偏差较大甚至极其错误的结果。对于特殊的噪声形态，如果仍沿用常规的拟合操作，即采用几十微秒左右的数据进行拟合，所得出的结果远远偏离正确的结果。显然如此选择拟合观测值区域是不合理的。选取冷却曲线第一个拐点之后的一段较为平缓的数据作为观测值进行补偿修正将能确保获得较为准确的测试结果。
猜你喜欢结温热阻器件采用RBF神经网络与光谱参数的LED结温预测软件导刊(2018年8期)2018-10-29基于Simulink的IGBT模块的结温计算常州工学院学报(2018年3期)2018-09-11界面热阻对L型镁合金铸件凝固过程温度场的影响中国铸造装备与技术(2017年6期)2018-01-22基于驱动电流切变的大电流下LED正向电压-结温关系检测方法贵州大学学报(自然科学版)(2016年2期)2016-09-24换热设备污垢热阻和腐蚀监测技术综述现代工业经济和信息化(2016年6期)2016-05-17旋涂-蒸镀工艺制备红光量子点器件北京信息科技大学学报(自然科学版)(2016年6期)2016-02-27面向高速应用的GaN基HEMT器件电子工业专用设备(2015年4期)2015-05-26基于照度的非接触式大功率白光LED结温测量物理实验(2015年6期)2015-03-10一种加载集总器件的可调三维周期结构中国舰船研究(2015年2期)2015-02-10高分辨率遥感相机CCD器件精密热控制航天返回与遥感(2014年4期)2014-07-31