CN103090839B - 测量封装功率器件芯片面积的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量封装功率器件芯片面积的方法,包括:测量封装功率器件的加热响应数据;将加热响应数据转换为温度对开平方根时间的数据,并拟合温度对开平方根时间的数据;根据拟合结果确定芯片面积。本发明通过测量加热响应数据,将其转换为温度对开平方根时间的数据,并拟合温度对开平方根时间的数据来最终计算出芯片面积,可以避免传统方法中使用的复杂的反卷积算法,以及该算法引入的相关误差。

Description

测量封装功率器件芯片面积的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,尤其涉及一种测量封装功率器件芯片面积的方法。
背景技术
随着功率器件在电力传输、汽车电子等领域的广泛应用,芯片面积对产品成本和整个产品周期的影响越来越重要,对电子产品的检测和质量分析方面也有着重要用途。现有一种测量半导体器件内部芯片热接触面积的技术,通过测量半导体器件瞬态温升曲线,对其进行微分,求出传热导路径上主要热时间常数。通过热时间常数与热阻、热容的关系,求出该段结构的热传输长度L;通过求出的热时间常数,对温升曲线进行拟合,求出与时间常数对应的温升值和热阻值。通过热阻与结构的传热长度和接触面积的关系,求出该结构部分的热接触面积。
现有技术虽然能通过瞬态温升曲线求出其时间常数谱,从而得出对应的温升值和热阻值,利用热阻与结构的传热长度和接触面积的关系可以得到芯片的面积。实现这一过程有以下缺点:①瞬态温升曲线求出其时间常数谱需要用到反卷积算法,该算法不仅实现起来复杂,并且也会引入相关的误差,对最后芯片面积的确定产生影响;②需要确定瞬态温升曲线上各台阶所对应的器件各部分结构(包括芯片、焊料和管壳),通常情况下所测得的瞬态温升曲线台阶并不明显,要找到芯片结构所对应的温升曲线的台阶部分并不容易,并且常常带有主观的因素,这样也会对芯片最终的面积的确定产生影响。
因此,希望提出一种高效且准确的测量芯片面积的方法。
发明内容
本发明提供了一种可以解决上述问题的测量封装功率器件芯片面积的方法,该测量方法包括:
a)测量封装功率器件的加热响应数据;
b)将加热响应数据转换为温度对开平方根时间的数据,并拟合温度对开平方根时间的数据;
c)根据拟合结果确定芯片面积。
与现有技术相比,采用本发明提供的技术方案具有如下优点:通过测量加热响应数据,将其转换为温度对开平方根时间的数据,并拟合温度对开平方根时间的数据来最终计算出芯片面积,避免了传统方法中使用的复杂的反卷积算法,以及该算法引入的相关误差。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为根据本发明的实施例的测量芯片面积的方法的流程图;
图2为根据本发明的实施例的测量加热响应数据的系统的框图;
图3为根据本发明的实施例得到的温度关于线性时间的曲线图;
图4为根据本发明的实施例得到的温度关于平方根时间的曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。
所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本发明。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外,本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。
根据本发明的一个实施例,提供了一种测量封装功率器件芯片面积的方法。图1为根据本发明的实施例的测量封装功率器件芯片面积的方法的流程图。下面,将结合图2至图4通过本发明的一个实施例对图1所示的测量芯片面积的方法进行具体描述。如图1所示,本发明所提供的测量方法包括以下步骤:
在步骤S101中,测量封装功率器件的加热响应数据。
具体地,首先选择一个合适的待测器件,在本实施例中选用的是封装功率VDMOS(垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管)。而一个精确的测量设备会对最终的测量结果产生很大的影响,在本实施例中选用的是美国Phase11测量设备。此热阻测量设备由美国Analysis Tech公司生产,符合美军标和JEDEC标准。Phase 11采用油浴法测定热敏参数校正曲线。在通以感应电流结还没有明显产生热量时,如果给定足够的时间,结温和壳温将达到热平衡,壳温非常接近结温。将热电偶直接连接到器件表面采集数据时,油浴将充分保证器件的温度稳定并且使热电偶采集的温度等于感应结温。其加热电压测量精度可达到±0.025%量程,满足本发明的要求。其测量原理系统框图如附图2所示,其中数据采集系统用于采集器件两侧的电压,高速开关用于器件工作状态和测量状态之间的切换,温度控制系统用于控制恒温平台温度。所述数据采集系统、高速开关和温度控制系统都由控制器统一控制。
测量设备调制好以后将待测器件置于一个恒温平台上,所述恒温台可通过图2所示的控制器实现对温度的实时控制,以保证恒温平台的温度不变。当恒温平台的温度达到设定值并稳定后,将器件置于工作状态,此时给器件一定时间的加热功率,使器件产生热量。加热一段时间后,通过图2所示的高速开关迅速将器件置于测量状态,同时通过数据采集系统采集器件两侧的电压V随时间的变化。
然后利用半导体器件在恒定电流下端电压与温度的关系T=K*V,将采集的电压V转换为温度T。从而获得随时间变化的温度数据,即加热响应数据。得到器件温度数据后,通过绘图软件计算可得到如图3所示的器件的加热响应曲线,即温度关于线性时间的曲线图。
在步骤S102中,将加热响应数据转换为温度对开平方根时间的数据,并拟合温度对开平方根时间的数据。
得到器件的加热响应数据后,将加热响应数据转换为温度对开平方根时间的数据,再进行温度对开平方根时间的数据的拟合。曲线拟合是指选择适当的曲线类型来拟合观测数据,并用拟合的曲线方程分析两变量间的关系。具体的,在本实施例中,首先要将时间开平方根,将温度数据与开平方根时间数据对应起来,然后用三次样条插值拟合方法拟合。其中三次样条插值(简称Spline插值)是通过一系列形值点的一条光滑曲线,数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程。参考图4,例如,首先确定拟合区间的起始点(应尽量去除前面震荡的不准确数据)和终止点(在拟合区间上取尽量满足线性关系的一段),根据拟合区间段()数据,利用三次样条插值获得起始点温度T()和终止点温度T()。然后根据直线方程的两点式,可以求出直线方程的表达式,代入t=0时刻的值,即可外推获得初始结温T0。最后得到的温度对开平方根时间sqrt(t)的拟合曲线如图4所示。
外推到初始时刻t=0时刻求出初始温度值T0后,还需要进一步计算出待测器件温度的变化量△T=T0-T()。具体计算可通过计算机软件来实现,在本实施例中选用的是matlab软件。
在步骤S103中,根据拟合结果确定芯片面积。
具体的,首先需要通过测量或查阅待测器件的相关说明来确定待测器件的热容C,密度ρ和热导率λ。之后,即可将之代入用于确定芯片面积A的公式 A = ( 2 * P * tcut ) / ( ΔT * πCρλ ) , 其中P为加热功率,△T为温度的变化量T0-T(),C为芯片的热容,ρ是芯片的密度,λ是芯片的热导率。在本实施例中采用的是某种国产VDMOS芯片,芯片面积为25mm2,依据上述方法获得的芯片面积为22.95mm2,符合较好。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明,应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下,可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子,本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时,工艺步骤的次序可以变化。
此外,本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容,作为本领域的普通技术人员将容易地理解,对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤,其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果,依照本发明可以对它们进行应用。因此,本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (8)

1.一种测量封装功率器件芯片面积的方法,包括:
a)测量封装功率器件的加热响应数据;其中,包括以下步骤:
放置封装功率器件于恒温平台上;
将器件置于工作状态,给器件一定时间的加热功率;
将器件置于测量状态,并随时间采集器件两侧的电压;
将电压随时间的数据转换为加热响应数据;
b)将加热响应数据转换为温度对开平方根时间的数据,并拟合温度对开平方根时间的数据;
c)根据拟合结果确定芯片面积。
2.根据权利要求1所述的测量方法,其中用于测量封装功率器件的加热响应曲线的设备为美国Phase11测量设备。
3.根据权利要求1所述的测量方法,其中:器件从工作状态到测量状态的转换通过高速开关来实现。
4.根据权利要求1所述的测量方法,其中,所述步骤b)将加热响应数据转换为温度对开平方根时间的数据包括将时间数据开平方根,并将温度与开平方根时间数据对应起来。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,拟合温度对开平方根时间的数据的方法为三次样条插值拟合方法。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,拟合温度对开平方根时间的数据包括:确定拟合区间的起始点和终止点获得起始点温度和终止点温度并外推获得初始结温T0。
7.根据权利要求6所述的方法,其中步骤c)中确定芯片面积A的公式为其中P为加热功率,△T为温度的变化量C为芯片的热容,ρ是芯片的密度,λ是芯片的热导率。
8.根据权利要求1所述的测量方法,其中,所述封装功率器件为功率垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管VDMOS。
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