CN104237300B - 一种玻封表贴二极管稳态热阻测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻封表贴二极管稳态热阻测试夹具和测试方法，给出了一种测试夹具的结构以及利用该夹具进行热阻测试的方法。其中测试夹具包括两个电极插槽、绝缘绝热平板和绝缘导热平板；两个电极插槽贯穿安装在绝缘绝热平板上，用于连接待测玻封表贴二极管的两个电极；绝缘导热平板用于与绝缘绝热平板配合夹持待测玻封表贴二极管。本发明可以实现玻封表贴二极管电极之间、电极与热阻测试仪恒温台之间的绝缘，同时实现良好的导热，可靠便捷的电连接，从而能够通过热阻测试仪实现对玻封表贴二极管的稳态热阻测试。

Description

一种玻封表贴二极管稳态热阻测试方法
技术领域
本发明涉及一种玻封表贴二极管稳态热阻测试夹具和测试方法，属于半导体器件封装测试领域。
背景技术
二极管有多种类型，其中玻封表贴二极管由于散热较好，电流承载能力强，体积小，电装方便正成为发展方向，其结构示意图参见图2。由于玻封表贴二极管芯片面积小、功率又比较大，其热可靠性的考核显得尤为重要，而热阻就是专门表征热可靠性的指标。一般利用瞬态热阻测试来筛选玻封表贴二极管的封装质量，利用结到环境的热阻来表征其在常温静止空气当中的热可靠性，而利用结到端头的稳态热阻来表征器件本身的热特性。目前，玻封表贴二极管的瞬态热阻以及结到环境的热阻容易测量(比如常将二极管焊接在PCB上然后放置在静止空气箱中测试结到环境的热阻；测量瞬态热阻时，因为时间在10秒左右器件还未散热，所以可以利用二极管插座就可以实现快速测试)，而结到端头的稳态热阻测试难以实现。
玻封表贴二极管结到端头的稳态热阻是指二极管结到两个直接与芯片粘接的外端头(也是二极管的电极)的温差与功耗之比。公式表达为：
RθjR＝(TJ-TR)/PH (1)
其中，TJ是玻封表贴二极管的结温，TR是指端头温度，单位均为℃；PH为施加在玻封表贴二极管上的使玻封表贴二极管发热的功率，单位为W；RθjR为稳态热阻，单位为℃/W。
根据电学法的原理：
在毫安级别的小电流下，玻封表贴二极管结温的变化与二极管两端电压的变化成正比，所以有如下公式：
TJ＝Ta+ΔTJ (2)
ΔTJ＝K*ΔVF(3)
也即TJ＝Ta+K*ΔVF，此处Ta是初始结温。如果将器件安装在恒温台上，初始结温和初始端头温度相等，这样
RθjR＝(TJ-TR)/PH＝(Ta+ΔTJ-TR)/PH＝ΔTJ/PH＝K*ΔVF/PH
对于普通二极管，一般使用热阻测试仪和控温散热器测量二极管结到端头的稳态热阻，过程如下：首先测量二极管的温度敏感参数K，然后将被测二极管安装在控温散热器的恒温台上，用带绝热头的气压杆施加一定的压力顶紧。对二极管施加一个恒定的加热功率，加热一段时间后，切换到测试模式得到一条降温曲线，带入温度敏感参数K通过软件换算可以得到一条热阻随时间的变化曲线。第一次在被测样品和恒温台之间不涂附导热硅脂，第二次在被测样品和恒温台之间涂附导热硅脂会得到两条热阻随时间的变化曲线，然后利用两条热阻随时间的变化曲线分离点可以精确地计算结到端头的稳态热阻。
采用以上方法测试玻封表贴二极管热阻时，必须将玻封表贴二极管安装在恒温台上，然后通电测量。但由于玻封表贴二极管两端是电极，而恒温台是铜制的，直接将玻封表贴二极管放置在恒温台上测量会使玻封表贴二极管短路。同时，玻封表贴二极管的电极也无法便捷地实现和热阻测试仪相连，采用焊接导线的方式需要对每只待测玻封表贴二极管进行焊接，效率低且易损坏待测玻封表贴二极管。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种玻封表贴二极管稳态热阻测试夹具和测试方法，利用该夹具通过热阻测试仪和控温散热器测试玻封表贴二极管的稳态热阻，防止了热阻测试仪及热阻测试过程对玻封表贴二极管的损坏。
本发明的技术方案是：一种玻封表贴二极管稳态热阻测试夹具，包括 两个电极插槽、绝缘绝热平板和绝缘导热平板；两个电极插槽贯穿安装在绝缘绝热平板上，用于连接待测玻封表贴二极管的两个电极；绝缘导热平板用于与绝缘绝热平板配合夹持待测玻封表贴二极管。
所述绝缘绝热平板由双层PCB板制成。
所述绝缘导热平板为表面涂覆二氧化硅薄膜的单晶硅片，其中二氧化硅薄膜的厚度为1微米，单晶硅片厚度为400微米。
所述导线为耐80℃的高温导线。
一种利用玻封表贴二极管稳态热阻测试夹具进行玻封表贴二极管稳态热阻测试的方法，包括以下步骤：
步骤一：在测试电流I下，通过热阻测试仪测量待测玻封表贴二极管的温度敏感参数K；
步骤二：利用权利要求1所述的夹具夹住待测玻封表贴二极管，并将绝缘导热平板放置在控温散热器的恒温平台上，控温散热器上的气压杆在气体压力的作用下压紧绝缘绝热平板和绝缘导热平板；
步骤三：在绝缘绝热平板的两个电极插槽上引出两根导线，并将导线连接到热阻测试仪上，通过热阻测试仪测量被测玻封表贴二极管两端的正向电压；
步骤四：根据被测玻封表贴二极管实际工作时的功率与步骤三得到的正向电压计算得到被测玻封表贴二极管的加热电流，将该加热电流施加给被测玻封表贴二极管，直到被测玻封表贴二极管达到热平衡状态；
步骤五：将被测玻封表贴二极管上的加热电流切换到测试电流I，通过热阻测试仪测量得到被测玻封表贴二极管的冷却曲线；
步骤六：在绝缘导热平板与玻封表贴二极管的接触面上涂导热硅脂，重复步骤二到步骤五，再次得到被测玻封表贴二极管的冷却曲线；
步骤七：在同一坐标系内，根据步骤一得到的温度敏感参数K以及步骤五得到的冷却曲线得到不涂导热硅脂时被测玻封表贴二极管的热阻随时 间的变化曲线，记为第一曲线；根据步骤一得到的温度敏感参数K以及步骤六得到的冷却曲线得到涂导热硅脂时被测玻封表贴二极管的热阻随时间的变化曲线，记为第二曲线；第一曲线和第二曲线的分离点处对应的热阻即为被测玻封表贴二极管的稳态热阻。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
使用本发明的热阻测试夹具，可实现通过热阻测试仪和控温散热器测试玻封表贴二极管的稳态热阻，既保证了待测玻封表贴二极管与热阻测试仪的恒温台良好的绝缘、又能保证与恒温台良好的热传导，同时又可以方便地实现待测玻封表贴二极管与热阻测试热阻仪的电连接，方便待测器件的更换，有效避免了热阻测试仪及热阻测试过程对玻封表贴二极管的损坏。
附图说明
图1为本发明玻封表贴二极管热阻测试夹具示意图；
图2为待测玻封表贴二极管横向结构示意图；
图3为本发明使用的控温散热器的温控台和气压杆；
图4为本发明实施例中K系数的测量曲线；
图5为本发明实施例中计算得到的两条结构函数曲线；
图6为本发明实施例中结到端头热阻计算曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1、图2所示，本发明的玻封表贴二极管稳态热阻测试夹具包括两个电极插槽2、绝缘绝热平板3和绝缘导热平板4；电极插槽贯穿安装在绝缘绝热平板3上；电极插槽2的尺寸及两个电极插槽2之间的距离与玻封表贴二极管的电极相匹配，以保证每个电极插槽能够容纳并紧密接触待测玻封表贴二极管的每个电极；测试时，待测玻封表贴二极管夹持在绝缘导热平板4和绝缘绝热平板3之间，且玻封表贴二极管的两个电极分别放置在绝缘绝热平板3的两个电极插槽2中；
绝缘绝热平板3由双层PCB板制成；绝缘导热平板4为表面涂覆二氧化硅薄膜的单晶硅片，二氧化硅薄膜的厚度为1微米，单晶硅片厚度为400微米，所以该绝缘导热平板4实际为高导热平板。导线应为耐80℃的高温导线，导线直径大于或等于1毫米，长度为80厘米。其中，对于不同型号的玻封表贴二极管，由于电极尺寸不同，电极插槽2的尺寸以及两个电极插槽2之间的距离应做相应的调整。本实施例中，电极插槽的尺寸为宽1毫米，长4毫米，厚3毫米，两个电极插槽之间的距离为3.5毫米。
选取一玻璃封装玻封表贴二极管，使用本发明的热阻测试夹具，对该玻封表贴二极管结到端头热阻的测试过程如下：
本实施例确定测试电流为10mA。
步骤(一)、选取一个被测玻封表贴二极管，在热阻测试仪上，在预先设置的温度范围内(如30-80℃)，根据确定的测试电流测量待测玻封表贴二极管的温度敏感参数K为-1.78mV/℃，如图4所示为本发明实施例中参数K的测量曲线。
步骤(二)、测好K系数后，将本发明夹具中的绝缘导热平板4和恒温平台紧密接触，本例中恒温台设定为30℃；接着将玻封表贴二极管的两个电极插入本发明夹具中绝缘绝热平板3上的电极插槽2中，并将玻封表贴二极管夹持在绝缘绝热平板3及绝缘导热平板4之间，然后将气压杆压在绝缘绝热平板3上，打开压缩空气开关使得气体压力装置顶紧被测二极管，压力为1MPa。
步骤(三)、在绝缘绝热平板3的电极插槽2中引出两根导线1(两根导线1分别与被测玻封表贴二极管的阳极和阴极相连)，并将两根导线1接到热阻测试仪上，利用热阻测试仪对玻封表贴二极管两端的伏安特性进行测试，确定正向电压。
步骤(四)、选择被测玻封表贴二极管实际工作时的功率作为加热功率，与步骤(三)中测得的正向电压相除(加热功率除以正向电压)即得到需 要施加的加热电流，将加热电流施加在所述玻封表贴二极管上，当加热单元两端的电压不再发生改变即达到热平衡状态；本实施例中被测玻封表贴二极管工作时功率约为2.5W，当加热电流IH约为3A，被测玻封表贴二极管两端的电压VH测得为0.85V。
步骤(五)、待达到热平衡状态以后，将被测玻封表贴二极管上的加热电流切换到测试电流10mA，并立即对该温度敏感单元的正向导通电压进行记录，达到新的热平衡状态停止记录。热阻测试仪自动记录被测玻封表贴二极管的冷却曲线，冷却曲线的纵坐标是电压的变化值，横坐标是时间的对数坐标。
步骤(六)、将绝缘导热平板4与玻封表贴二极管的接触面涂上导热硅脂，然后使本发明的夹具与二极管之间紧实安装，夹具与恒温台紧密接触，重复步骤(二)—(五)，再次得到被测玻封表贴二极管的冷却曲线。
步骤(七)、根据所述两次得到的冷却曲线以及步骤(一)测得的温度敏感参数K得到同一坐标系内的两条结构函数曲线，如图5所示，这两条结构函数曲线分离点处对应的热阻即为被测玻封表贴二极管的热阻。为了根据这两条结构函数曲线得到精确的热阻值，一般采取差值和拟合的方式进一步得到结到端头稳态热阻计算曲线，如图6所示，从而得到被测玻封表贴二极管结到端头热阻为5.48K/W(K/W等同于℃/W)。
本发明使得玻封表贴二极管结到端头的稳态热阻测试可以方便的实施，大大提高了测试的效率。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种玻封表贴二极管稳态热阻测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在测试电流I下，通过热阻测试仪测量待测玻封表贴二极管的温度敏感参数K；
步骤二：利用夹具夹住待测玻封表贴二极管，所述夹具包括两个电极插槽(2)、绝缘绝热平板(3)和绝缘导热平板(4)，两个电极插槽(2)贯穿安装在绝缘绝热平板(3)上，用于连接待测玻封表贴二极管的两个电极，绝缘导热平板(4)用于与绝缘绝热平板(3)配合夹持待测玻封表贴二极管；
将绝缘导热平板(4)放置在控温散热器的恒温平台上，控温散热器上的气压杆在气体压力的作用下压紧绝缘绝热平板(3)和绝缘导热平板(4)；
绝缘导热平板(4)为表面涂覆二氧化硅薄膜的单晶硅片，其中二氧化硅薄膜的厚度为1微米，单晶硅片厚度为400微米；
步骤三：在绝缘绝热平板(3)的两个电极插槽(2)上引出两根导线，并将导线连接到热阻测试仪上，通过热阻测试仪测量被测玻封表贴二极管两端的正向电压；
步骤四：根据被测玻封表贴二极管实际工作时的功率与步骤三得到的正向电压计算得到被测玻封表贴二极管的加热电流，将该加热电流施加给被测玻封表贴二极管，直到被测玻封表贴二极管达到热平衡状态；
步骤五：将被测玻封表贴二极管上的加热电流切换到测试电流I，通过热阻测试仪测量得到被测玻封表贴二极管的冷却曲线；
步骤六：在绝缘导热平板(4)与玻封表贴二极管的接触面上涂导热硅脂，重复步骤二到步骤五，再次得到被测玻封表贴二极管的冷却曲线；
步骤七：在同一坐标系内，根据步骤一得到的温度敏感参数K以及步骤五得到的冷却曲线得到不涂导热硅脂时被测玻封表贴二极管的热阻随时间的变化曲线，记为第一曲线；根据步骤一得到的温度敏感参数K以及步骤六得到的冷却曲线得到涂导热硅脂时被测玻封表贴二极管的热阻随时间的变化曲线，记为第二曲线；第一曲线和第二曲线的分离点处对应的热阻即为被测玻封表贴二极管的稳态热阻。
2.根据权利要求1所述的一种玻封表贴二极管稳态热阻测试方法，其特征在于：所述绝缘绝热平板(3)由双层PCB板制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种玻封表贴二极管稳态热阻测试方法，其特征在于：所述导线(1)为耐80℃的高温导线。
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