CN106841240A - 一种器件热传导无损失效分析方法及装置 - Google Patents

一种器件热传导无损失效分析方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种器件热传导无损失效分析方法及装置，该方法包括：获取待分析器件的结构函数曲线；比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层；采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构；根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。本发明提供的方法，解决了现有技术中对于厚金属封装的功率器件，存在的难以进行无损分析，仅能进行破坏性失效分析的技术问题。提供了一种适用于厚金属封装功率器件的非破坏性的节约时间和分析成本的失效分析方法。

Description

一种器件热传导无损失效分析方法及装置
技术领域
本发明为半导体技术领域，尤其涉及一种器件热传导无损失效分析方法及装置。
背景技术
功率器件工作过程中会产生大量热，为防止过热烧毁，器件需具有较好地散热性能。因此，器件的热阻值不能超过标准要求。对热阻超标器件需进行失效分析，且在很多情况下，失效样品不能被破坏，只能通过无损检测方式进行。现有的功率器件热阻超标无损失效分析主要是利用X-Ray透视仪或SAM实现，即通过X射线或超声波对器件进行扫描，根据X射线或超声波在器件内各层的透射和反射情况，拟合各层形貌，以检测器件内部各层的结构缺陷，进而确定器件热阻超标失效原因。
然而，对于厚金属封装(如TO-254AA等封装形式)的功率器件，因其管壳较厚，甚至管壳本身就包含多层结构，X-Ray透视仪或SAM不能完全穿透管壳，因此无法有效观测器件内部各层的结构缺陷，需要进行破环性失效分析。
也就是说，现有技术中对于厚金属封装的功率器件，存在难以进行无损分析，仅能进行破坏性失效分析的技术问题。
发明内容
本发明通过提供一种器件热传导无损失效分析方法及装置，解决了现有技术中对于厚金属封装的功率器件，存在的难以进行无损分析，仅能进行破坏性失效分析的技术问题。
一方面，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种器件热传导无损失效分析方法，包括：
获取待分析器件的结构函数曲线；
比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层；
采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构；
根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。
可选的，所述结构函数曲线，包括：积分函数曲线和微分函数曲线。
可选的，所述结构函数曲线上包括N个拐点，所述N个拐点中相邻两拐点间的曲线为一曲线段；所述N个拐点对应所述待分析器件的N个层间界面；所述曲线段对应所述待分析器件的结构层；N为正整数；所述比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层，包括：按曲线段，分段对应比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以所述待分析器件的结构函数曲线上的异常曲线段对应的结构层为所述热阻异常层。
可选的，所述结构层包括以下一种或多种的组合：芯片层、焊料层、过渡片层、绝缘片层、底座层、导热胶层或冷却基板层。
可选的，所述根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因，包括：比对所述结构图像重构结果和合格器件的图像重构信息，确定所述热阻异常层的失效原因。
可选的，所述方法应用于厚金属封装功率器件。
另一方面，提供一种器件热传导无损失效分析装置，包括：
获取模块，用于获取待分析器件的结构函数曲线；
比对模块，用于比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层；
重构模块，用于采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构；
确定模块，用于根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。
可选的，所述比对模块还用于：按曲线段，分段对应比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以所述待分析器件的结构函数曲线上的异常曲线段对应的结构层为所述热阻异常层。
可选的，所述确定模块还用于：比对所述结构图像重构结果和合格器件的图像重构信息，确定所述热阻异常层的失效原因。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例提供的方法及装置，先获取表征待分析器件各层的热传导情况的结构函数曲线；再根据与合格器件的结构函数曲线的比对来确定出热阻异常层，再采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构，从而确定所述热阻异常层的失效原因，不仅解决了现有厚金属封装的功率器件难以穿透观察，需要使用破坏分析方法的问题，还避免了通过X射线电子计算机断层扫描方法逐层扫描的耗时和耗成本长的问题，实现了一种适用于厚金属封装功率器件的非破坏性的节约时间和分析成本的失效分析方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中器件热传导无损失效分析方法的流程图；
图2为本申请实施例中示例器件的管壳示意图；
图3为本申请实施例中示例器件的热传导界面示意图；
图4为本申请实施例中待分析器件和合格器件的积分函数曲线比对图；
图5为本申请实施例中待分析器件和合格器件的微分函数曲线比对图；
图6为本申请实施例中合格器件采用X射线电子计算机断层扫描(X-ComputedTomography，X-CT)进行结构图像重构的示意图；
图7为本申请实施例中待分析器件采用X-CT进行结构图像重构的示意图；
图8为本申请实施例中器件热传导无损失效分析装置的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种器件热传导无损失效分析方法及装置，解决了现有技术中对于厚金属封装的功率器件，存在的难以进行无损分析，仅能进行破坏性失效分析的技术问题。提供了一种适用于厚金属封装功率器件的非破坏性的节约时间和分析成本的失效分析方法。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：
本申请提供一种器件热传导无损失效分析方法，包括：
获取待分析器件的结构函数曲线；
比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层；
采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构；
根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。
通过上述内容可以看出，先获取表征待分析器件各层的热传导情况的结构函数曲线；再根据与合格器件的结构函数曲线的比对来确定出热阻异常层，再采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构，从而确定所述热阻异常层的失效原因，不仅解决了现有厚金属封装的功率器件难以穿透观察，需要使用破坏分析方法的问题，还避免了通过X射线电子计算机断层扫描方法逐层扫描的耗时和耗成本长的问题，实现了一种适用于厚金属封装功率器件的非破坏性的节约时间和分析成本的失效分析方法。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一
在本实施例中，提供了一种器件热传导无损失效分析方法，如图1所述，所述方法包括：
步骤S101，获取待分析器件的结构函数曲线；
步骤S102，比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层；
步骤S103，采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构；
步骤S104，根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。
需要说明的是，本申请提供的方法尤为适用于厚金属封装功率器件，因为厚金属封装功率器件难以采用常规非破坏性分析方法来逐层分析，当然，在具体实施过程中，所述方法也可以运用于普通功率器件，或塑封器件，在此不作限制。
下面，以所述待分析器件为采用TO-254AA封装的VDMOS器件为例，结合图1-7来详细介绍本申请提供的方法：
采用TO-254AA封装的VDMOS器件管壳示意图如图2所示。芯片通过铅锡银焊料与管壳过渡片烧结在一起。器件在工作状态下主要通过热传导的方式散热，其热传导界面示意图如图3所示。器件产生的热量从结到壳传输需穿过芯片层、焊料层和管壳层，其中所述管壳层包含过渡片、绝缘片和底座。
首先，执行步骤S101，获取待分析器件的结构函数曲线。
在本申请实施例中，所述结构函数曲线，包括：积分函数曲线和微分函数曲线。所述结构函数曲线上包括N个拐点，所述N个拐点中相邻两拐点间的曲线为一曲线段；所述N个拐点对应所述待分析器件的N个层间界面；所述曲线段对应所述待分析器件的结构层；N为正整数。
具体来讲，可以取合格器件和待分析的失效器件进行结构函数曲线对比测试，测试过程中管壳放置于冷却基板上，且管壳与冷却基板间涂导热胶。测试结果如图4和图5所示，结构函数曲线包含图4所示的积分函数曲线和图5所示的微分函数曲线，两者是相对应的。器件热传导路径上各层材料热特性是不同的，因此积分和微分函数曲线上的拐点即为各层间的界面，即图4和图5中，结构函数曲线上各段曲线从左到右依次代表芯片层、焊料层、过渡片、绝缘片、底座、导热胶、冷却基板等的热特性。
再下来，执行步骤S102，比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层。
在本申请实施例中，所述比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层，包括：
按曲线段，分段对应比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以所述待分析器件的结构函数曲线上的异常曲线段对应的结构层为所述热阻异常层。
在具体实施过程中，所述结构层包括以下一种或多种的组合：
塑封层、芯片层、焊料层、过渡片层、绝缘片层、底座层、导热胶层或冷却基板层。
具体来讲，从图4和图5的对比中可以看出，与合格器件相比，待分析的失效器件的热阻异常层主要是焊料层。
再下来，执行步骤S103，采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构。
具体来讲，由于普通的X射线从器件正面和背面均无法有效穿透，而X-CT是一种3DX射线技术，它可以从侧面的不同角度穿透器件，再通过不同角度透射X射线特性的转换和组合，实现器件内部某层形貌图像的重构。
在具体实施过程中，通过X-CT进行结构图像重构获得的图像如图6和图7所示。
再下来，执行步骤S104，根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。
在本申请实施例中，所述根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因，包括：
比对所述结构图像重构结果和合格器件的图像重构信息，确定所述热阻异常层的失效原因。
具体来讲，结合采用TO-254AA封装的VDMOS器件的具体实例，在经验足够的情况下，可以仅对待分析失效器件进行X-CT焊料层图像重构；也可以对合格器件和待分析的失效器件均进行X-CT焊料层图像重构，再通过对比来确定热阻异常层的失效原因。
图6为合格器件的焊料层图像重构，图7为待分析失效器件的焊料层图像重构，从图6和图7中可以看出，合格器件的焊料层相对均匀完整，而失效器件的焊料层存在许多空洞。器件在贴片过程中，焊料过少、挤压焊料力不足、芯片背面金属层被氧化或污染、过渡片被氧化或污染以及贴片工艺参数不当等原因均会导致焊料层气体无法被完全排出，产生焊料层空洞。
再结合理论知识，器件焊料层热阻可由下式计算得出：RT＝L/kA，其中，RT为热阻值；L为焊料层厚度；k为焊料层材料热导率；A为焊料层热传导界面接触面积。由于，空洞部位填充气体的热导率远低于焊料层，热量主要由焊料层向管壳层传播。由于芯片焊料层存在空洞，则焊料层横截面减小，即A减小。因此，可得出芯片焊料层热阻增大，进而导致器件热阻超标失效的失效原因分析结果。
具体来讲，本申请提供的方法通过结构函数曲线测试与X-CT图像重构相结合的方法，精确探测厚金属封装热阻超标功率器件内部缺陷层的位置和状态。可解决传统X-Ray透射仪和SAM方法无法穿透厚金属封装管壳的问题，且该方法属于无损检测分析方法，可以在不破坏器件的前提下，完成厚金属封装功率器件热阻超标失效分析，确定器件失效原因和改进措施。且不需要逐层进行扫描构图，减少了分析时间和分析成本。
基于同一发明构思，本申请提供了实施例一中方法对应的装置，详见实施例二。
实施例二
在实施例中，提供了一种器件热传导无损失效分析装置，如图8所示，所述装置包括：
获取模块801，用于获取待分析器件的结构函数曲线；
比对模块802，用于比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层；
重构模块803，用于采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构；
确定模块804，用于根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。
需要说明的是，本申请提供的装置尤为适用于厚金属封装功率器件，因为厚金属封装功率器件难以采用常规非破坏性分析方法来逐层分析，当然，在具体实施过程中，所述方法也可以运用于普通功率器件，或塑封器件，在此不作限制。
在本申请实施例中，所述比对模块802还用于：
按曲线段，分段对应比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以所述待分析器件的结构函数曲线上的异常曲线段对应的结构层为所述热阻异常层。
在本申请实施例中，所述确定模块804还用于：
比对所述结构图像重构结果和合格器件的图像重构信息，确定所述热阻异常层的失效原因。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本申请实施例提供的方法及装置，先获取表征待分析器件各层的热传导情况的结构函数曲线；再根据与合格器件的结构函数曲线的比对来确定出热阻异常层，再采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构，从而确定所述热阻异常层的失效原因，不仅解决了现有厚金属封装的功率器件难以穿透观察，需要使用破坏分析方法的问题，还避免了通过X射线电子计算机断层扫描方法逐层扫描的耗时和耗成本长的问题，实现了一种适用于厚金属封装功率器件的非破坏性的节约时间和分析成本的失效分析方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种器件热传导无损失效分析方法，其特征在于，包括：
获取待分析器件的结构函数曲线；
比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层；
采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构；
根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构函数曲线，包括：积分函数曲线和微分函数曲线。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述结构函数曲线上包括N个拐点，所述N个拐点中相邻两拐点间的曲线为一曲线段；所述N个拐点对应所述待分析器件的N个层间界面；所述曲线段对应所述待分析器件的结构层；N为正整数；
所述比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层，包括：
按曲线段，分段对应比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以所述待分析器件的结构函数曲线上的异常曲线段对应的结构层为所述热阻异常层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述结构层包括以下一种或多种的组合：
芯片层、焊料层、过渡片层、绝缘片层、底座层、导热胶层或冷却基板层。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因，包括：
比对所述结构图像重构结果和合格器件的图像重构信息，确定所述热阻异常层的失效原因。
6.如权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述方法应用于厚金属封装功率器件。
7.一种器件热传导无损失效分析装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待分析器件的结构函数曲线；
比对模块，用于比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以确定所述待分析器件的热阻异常层；
重构模块，用于采用X射线电子计算机断层扫描方法，对所述热阻异常层进行结构图像重构；
确定模块，用于根据所述结构图像重构结果，确定所述热阻异常层的失效原因。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述比对模块还用于：
按曲线段，分段对应比对所述待分析器件的结构函数曲线和合格器件的结构函数曲线，以所述待分析器件的结构函数曲线上的异常曲线段对应的结构层为所述热阻异常层。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定模块还用于：
比对所述结构图像重构结果和合格器件的图像重构信息，确定所述热阻异常层的失效原因。
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