CN103245694B - 一种测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子器件测试领域，公开了一种测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法。首先测出待测半导体器件的电压-温度系数曲线，绘制其热阻微分结构函数曲线，进而求出其内部热阻R_th0。然后，测量不同压力F下半导体器件到接触材料的热阻R_th1、R_th2、…、R_thn，进行函数拟合得到R_th-F曲线，并由此求出接触材料的热阻R_T。最后由R=R_th-R_th0-R_T求出不同压力下半导体器件与接触材料之间的接触热阻。本发明利用压力影响接触热阻的方法，不仅解决了瞬态光热法中光相位受影响及热阻测量受半导体器件内部结构影响的问题，还可以在不损伤半导体器件的条件下准确测出压力与接触热阻的关系。

Description

一种测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法

技术领域

本发明属于电子器件测试领域，主要应用于界面热阻测量与分析，具体涉及一种测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法。

背景技术

随着半导体器件向尺寸小、功能强及集成度高等方向的发展，半导体器件的工作功率不断增大，工作时产生的热量不断增多，有源区结自升温不断提高，从而导致器件可靠性下降，寿命缩短。结自升温等于功率与热阻的乘积。因此，可以通过减小热阻来降低器件有源区的温度，从而提高器件的可靠性。在使用过程中，半导体器件散热通路上的总热阻R_th包括器件内部热阻R_th0、器件与其他材料接触产生的接触热阻R以及接触材料热阻R_T三部分。目前大功率器件的内部热阻可降低至0.3℃/W左右，与半导体接触的散热材料热阻最小也可达到0.2℃/W左右，而接触热阻在1℃/W左右。所以半导体器件与接触材料之间的接触热阻就成为影响器件散热的重要因素。因此，测定器件与接触材料间的接触热阻是确保器件正常、安全工作的重要手段。

目前测量接触热阻的方法有稳态法和瞬态法。典型的稳态法中，对接触面的温差数据采用线性外推，可以获得接触热阻。但是温差线性外推法只有在接触面温差较大时，其数据才是可靠的，而且完全准确地测量半导体器件和接触材料间的接触面温差是十分困难的；在瞬态法中，光热法应用广泛，通过测量遇到界面后的热波(形变波)与调制波的相位差(波幅值的衰减)，获得界面热阻。但是在测量过程中，接触界面会导致热波在接触处发生漫射，破坏了其相位关系，使得热阻测试结果出现偏差。

发明内容

针对接触热阻测量中存在的上述问题，本发明提出了一种通过测量不同压力下、半导体器件正常工作时、芯片有源区到接触材料的热阻微分结构函数曲线测量接触热阻的方法。

本发明采用的技术方案如下：

在不同接触压力下，利用热阻测量装置及压力测试装置，测得器件散热路径上的热阻微分结构函数曲线，通过分析不同压力下热阻微分结构函数曲线，得到热阻-压力曲线，从而确定接触热阻。

一种测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法，实现该方法的装置包括被测半导体器件1和接触材料2、压力装置3、压力测量装置4、恒温平台5、测试电路板6、计算机7、工作电源8、加热电源9。加热电源9为恒温平台5供电；恒温平台5用于调节和保持半导体器件1测试过程中的环境温度，同时通过嵌在平台内的热电偶测量半导体器件1的壳温；压力装置3用于对半导体器件1和接触材料2施加压力；压力测量装置4用于测量半导体器件1和接触材料2之间的压力；测试电路板6用于对半导体器件1提供电流通道，并测量半导体器件1的电压；计算机7用于控制工作电源8为半导体器件1提供加热电流和测试电流，加热电流用来使半导体器件1自升温，测试电流用于在半导体器件1冷却过程中测量半导体器件1两端的电压。所述测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法特征在于，该方法还包括以下步骤：

步骤一，将半导体器件1放置在恒温平台5上，接好半导体器件1和测试电路板6、工作电源8的连线。

步骤二，接通加热电源9，使恒温平台5在整个实验过程中一直保持恒温。

步骤三，给测试电路板6、计算机7、工作电源8加电，使其正常工作。计算机7通过控制流过半导体器件1的测试电流使其工作在不同的温度下，并通过测试电路板6测量不同温度下半导体器件1的电压，得到半导体器件1的电压-温度系数曲线。

步骤四，通过实验绘制半导体器件1的热阻微分结构函数曲线，进而求出其内部热阻R_th0。方法如下：

(1)计算机7控制工作电源8，给半导体器件1通入加热电流，直至半导体器件1温度达到稳定。

(2)切断加热电流，待半导体器件1开始冷却，给半导体器件1通入测试电流。

(3)测试电路板6采集半导体器件1的电压，直至半导体器件1的温度降至与恒温平台5的温度相等，得到半导体器件1对于恒温平台5的冷却响应曲线。

(4)求解热阻微分结构函数曲线。

计算机7依据半导体器件1冷却过程中的电压变化以及电压-温度系数曲线，对于热传导通路上串联的热阻、热容用Foster串联网络模型表示。由于Foster模型不能反映热阻、热容的物理意义，利用结构函数法将Foster网络转化为Cauer网络模型，将节点至节点热容转变为节点至地热容，其中的热阻表示模型中真实的热阻，将Cauer模型中的热阻、热容累加得到热阻积分函数曲线。为了更明显地反映导热通路上热阻的构成情况，计算机7再对热阻积分函数求微分，得到热阻微分结构函数曲线。

(5)根据曲线上的各个峰值对应的热阻可以得到半导体器件1的内部热阻R_th0。

(6)保存微分结构函数曲线以及对应数据。

步骤五，将压力测量装置4置于半导体器件1的上表面，用压力装置3将压力测量装置4以及半导体器件1一同压在接触材料2上，组成待测系统。将待测系统放在恒温平台5上，并将半导体器件1与测试电路板6、工作电源8相连。

步骤六，计算机7控制工作电源8给半导体器件1通入与步骤四中相同的加热电流，使半导体器件1自升温。

步骤七，按照步骤四的方法得到待测系统中半导体器件1到接触材料2的热阻微分结构函数曲线，进而得到热传导通路上从半导体器件到接触材料2的热阻R_th1。保存微分结构函数曲线和对应数据。

步骤八，调节压力装置3改变半导体器件1对接触材料2的压力，从而改变二极管和接触材料2之间的接触热阻。通过压力测量装置4测定当前的半导体器件1对接触材料2的压力，重复步骤六、七得到不同压力F下半导体器件1到接触材料2的热阻微分结构函数曲线，以及不同压力下半导体器件1到接触材料2的热阻R_th1、R_th2、…、R_thn，保存曲线和数据。

步骤九，对步骤八中所得不同压力F下的不同热阻R_th1、R_th2、…、R_thn，进行函数拟合，得到R_th-F函数曲线，表达式近似为：

$R_{\mathrm{th}}=A\×e^{\frac{-F}{B}}+C$

式中，A、B、C为常数。

求F趋近于正无穷大时R_th的极限，近似得到接触材料2的热阻R_T；再根据步骤四中得到的半导体器件1的内部热阻R_th0，按下式计算不同压力条件下半导体器件1与接触材料2之间的接触热阻：

R＝R_th-R_th0-R_T      (1)

本发明的有益效果是：本发明采用瞬态法测量接触热阻，利用压力影响接触热阻的方法，避免了瞬态光热法中光相位受影响的问题，以及半导体器件复杂的内部结构对光热法测量热阻的影响。另外，本发明还可以准确测量压力与接触热阻的关系，而且对半导体器件没有损伤。

附图说明

图1为本发明所涉及的测试装置示意图，图中：1—半导体器件，2—接触材料，3—压力装置，4—压力测量装置，5—恒温平台，6—测试电路板，7—计算机，8—工作电源，9—加热电源；

图2为本发明所涉及的方法流程图；

图3为半导体器件1内部的热阻微分结构函数；

图4为半导体器件1到接触材料2的热阻微分结构函数；

图5为接触热阻-压力函数曲线；

图6为半导体器件1与接触材料2间接触热阻-压力曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明。

本发明所涉及的测试装置如图1所示。测量选用的半导体器件1封装形式为TO-3PB型的快恢复二极管，其最大工作电压2.3V，最大工作电流15A，测量使用的热阻测试装置符合MIL-STD-750和JEDEC JESD51-1热阻测试标准，接触材料为一面积是30cm²、厚度0.5cm铝板。

测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法流程图如附图2所示，包括以下步骤：

步骤一，将半导体器件1放置在恒温平台5上，接好半导体器件1和测试电路板6、工作电源8的连线。

半导体器件1选择封装形式为TO-3PB型的快恢复二极管，其最大工作电压2.3V，最大工作电流15A。

步骤二，接通加热电源9，使恒温平台5在整个实验过程中一直保持恒温20℃。

步骤三，给测试电路板6、计算机7、工作电源8加电，使其正常工作。计算机7通过控制流过半导体器件1的测试电流使其工作在不同的温度下(20℃～70℃)，并通过测试电路板6测量不同温度下半导体器件1的电压，得到半导体器件1的电压-温度系数曲线。

步骤四，通过实验绘制半导体器件1的热阻微分结构函数曲线，进而求出其内部热阻R_th0。方法如下：

(1)计算机7控制工作电源8，给半导体器件1通入9A的加热电流，直至半导体器件1温度达到稳定。

(2)切断加热电流，待半导体器件1开始冷却，给半导体器件1通入1.5mA测试电流。

(3)测试电路板6采集半导体器件1的电压，直至半导体器件1的温度降至与恒温平台5的温度相等，得到半导体器件1对于恒温平台5的冷却响应曲线。

(4)计算机依据二极管冷却过程中的电压变化以及电压-温度系数曲线，对热传导通路上的热阻、热容累加得到热阻积分函数曲线。为了更明显地反映导热通路上热阻的构成情况，计算机再对热阻积分函数求微分，得到热阻微分结构函数曲线。

(5)根据曲线上的各个峰值对应的热阻可以得到半导体器件1的内部热阻R_th0，如附图3所示。

(6)保存微分结构函数曲线以及对应数据。

步骤五，如附图1所示，将压力测量装置4置于半导体器件1的上表面，用压力装置3将压力测量装置4以及半导体器件1一同压在接触材料2上，组成待测系统。将待测系统放在恒温平台5上，并将半导体器件1与测试电路板6、工作电源8相连。

步骤六，计算机7控制工作电源8给半导体器件1通入9A的加热电流，使半导体器件1自升温。

步骤七，按照步骤四的方法得到待测系统中半导体器件1到接触材料2的热阻微分结构函数曲线，如附图4所示，进而得到热传导通路上从半导体器件1到接触材料的热阻R_th1。保存微分结构函数曲线和对应数据。

步骤八，调节压力装置3改变半导体器件1对接触材料的压力，从而改变二极管和接触材料之间的接触热阻。通过压力测量装置4测定当前的半导体器件1对接触材料2的压力，重复步骤六、七得到不同压力F下半导体器件1到接触材料的热阻微分结构函数曲线，以及不同压力下半导体器件1到接触材料2的热阻R_th1、R_th2……R_thn，如附图5所示。保存曲线和数据。

步骤九，对步骤八中所得不同压力F下的不同热阻R_th1、R_th2……R_thn，用函数y＝A1*exp(-x/t1)+y0进行拟合，得到R_th-F函数曲线，如图6所示，表达式近似为：

$R_{\mathrm{th}}=0.8441\×e^{\frac{-F}{273.54}}+1.0334$

求F趋近于正无穷大时R_th的极限，近似得到接触材料热阻R_T，再根据步骤四中得到的半导体器件1的内部热阻R_th0，根据式(1)得到不同压力条件下半导体器件1与接触材料2之间的接触热阻。

测量使用的热阻测量装置符合MIL-STD-750和JEDEC JESD51-1热阻测试标准，测量时加热电流测量精度±1mA；加热电压测量精度±0.2％；热电偶测量精度(T型)±0.3℃；结温测量精度0.1℃；在指数拟合过程中，利用最小二乘法对数据进行处理，所得函数曲线拟合度和各个参数值及对应的标准误差如图6中的表格所示：曲线拟合度为0.94601；y₀的标准误差为0.06508，相对误差为0.06508/1.0334＝6.29％；A₁的标准误差为0.05811，相对误差为：0.05811/0.8442＝6.88％。

实验表明，本发明所述的方法能够准确测量半导体器件和接触材料间的接触热阻，以及压力与接触热阻的关系曲线。

Claims (1)

1.一种测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法，实现该方法的装置包括被测半导体器件(1)和接触材料(2)、压力装置(3)、压力测量装置(4)、恒温平台(5)、测试电路板(6)、计算机(7)、工作电源(8)、加热电源(9)；加热电源(9)为恒温平台(5)供电；恒温平台(5)用于调节和保持半导体器件(1)测试过程中的环境温度，同时通过嵌在平台内的热电偶测量半导体器件(1)的壳温；压力装置(3)用于对半导体器件(1)和接触材料(2)施加压力；压力测量装置(4)用于测量半导体器件(1)和接触材料(2)之间的压力；测试电路板(6)用于对半导体器件(1)提供电流通道，并测量半导体器件(1)的电压；计算机(7)用于控制工作电源(8)为半导体器件(1)提供加热电流和测试电流，加热电流用来使半导体器件(1)自升温，测试电流用于在半导体器件(1)冷却过程中测量半导体器件(1)两端的电压；所述测量半导体器件和接触材料间接触热阻的方法特征在于，该方法还包括以下步骤：

步骤一，将半导体器件(1)放置在恒温平台(5)上，接好半导体器件(1)和测试电路板(6)、工作电源(8)的连线；

步骤二，接通加热电源(9)，使恒温平台(5)在整个实验过程中一直保持恒温；

步骤三，给测试电路板(6)、计算机(7)、工作电源(8)加电，使其正常工作；计算机(7)通过控制流过半导体器件(1)的测试电流使其工作在不同的温度下，并通过测试电路板(6)测量不同温度下半导体器件(1)的电压，得到半导体器件(1)的电压-温度系数曲线；

步骤四，通过实验绘制半导体器件(1)的热阻微分结构函数曲线，进而求出其内部热阻R_th0；

步骤五，将压力测量装置(4)置于半导体器件(1)的上表面，用压力装置(3)将压力测量装置(4)以及半导体器件(1)一同压在接触材料(2)上，组成待测系统；将待测系统放在恒温平台(5)上，并将半导体器件(1)与测试电路板(6)、工作电源(8)相连；

步骤六，计算机(7)控制工作电源(8)给半导体器件(1)通入加热电流，使半导体器件(1)自升温；

步骤七，按照步骤四的方法得到待测系统中半导体器件(1)到接触材料(2)的热阻微分结构函数曲线，进而得到热传导通路上从半导体器件(1)到接触材料的热阻R_th1；保存微分结构函数曲线和对应数据；

步骤八，调节压力装置(3)改变半导体器件(1)对接触材料的压力，从而改变二极管和接触材料之间的接触热阻；通过压力测量装置(4)测定当前的半导体器件(1)对接触材料(2)的压力，重复步骤六、七得到不同压力F下半导体器件到接触材料的热阻微分结构函数曲线，以及不同压力下半导体器件(1)到接触材料(2)的热阻R_th1、R_th2、...、R_thn，保存曲线和数据；

步骤九，对步骤八中所得不同压力F下的不同热阻R_th1、R_th2、...、R_thn，进行函数拟合，得到R_th-F函数曲线，表达式近似为：

$R_{\mathrm{th}}=A\×e^{\frac{-F}{B}}+C$

式中，A、B、C为常数；

求F趋近于正无穷大时R_th的极限，近似得到接触材料热阻R_T；再根据步骤四中得到的半导体器件(1)的内部热阻R_th0，按下式计算不同压力条件下半导体器件(1)与接触材料(2)之间的接触热阻：

R＝R_th-R_th0-R_T

步骤四绘制半导体器件(1)的热阻微分结构函数曲线，进而求出其内部热阻R_th0的方法如下：

(1)计算机(7)控制工作电源(8)，给半导体器件(1)通入与前述步骤六相同的加热电流，直至半导体器件(1)温度达到稳定；

(2)切断加热电流，待半导体器件(1)开始冷却，给半导体器件(1)通入测试电流；

(3)测试电路板(6)采集半导体器件(1)的电压，直至半导体器件(1)的温度降至与恒温平台(5)的温度相等，得到半导体器件(1)对于恒温平台(5)的冷却响应曲线；

(4)求解热阻微分结构函数曲线；

计算机依据半导体器件(1)冷却过程中的电压变化以及电压-温度系数曲线，对于热传导通路上串联的热阻、热容用Foster串联网络模型表示；利用结构函数法将Foster网络转化为Cauer网络模型，将节点至节点热容转变为节点至地热容，其中的热阻表示模型中真实的热阻，将Cauer模型中的热阻、热容累加得到热阻积分函数曲线；计算机再对热阻积分函数求微分，得到热阻微分结构函数曲线；

(5)根据曲线上的各个峰值对应的热阻可以得到半导体器件(1)的内部热阻R_th0；

(6)保存微分结构函数曲线以及对应数据。