DB52T 1104-2016 半导体器件结-壳热阻瞬态测试方法

ICS31.080.01DB52DB52/T1104—2016半导体器件结-壳热阻瞬态测试方法Junction-to-casethermalresistancetransienttestmethodofsemiconductordevices（JESD51-142010，TransientDualInterfaceTestMethodfortheMeasurementoftheThermalResistanceJunctiontoCaseofSemiconductorDeviceswithHeatFlowTroughaSinglePath，MOD）贵州省质量技术监督局发布IDB52/T1104—2016 12规范性引用文件 13术语和定义 14符号和缩略语 15结-壳热阻测量 1 6附录A（规范性附录）基于热阻抗曲线Zth(J-C)分离点确定Rth(J-C) 7DB52/T1104—2016本标准按照GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。请注意：本标准的某些内容可能涉及专利内容，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准使用重新起草法修改采用JESD51-142010《测量具有单一热流路径的半导体器件结壳热阻的瞬态双界面测试法》。本标准与JESD51-142010相比，在结构上增加了一章（4删除了一章（7）。本标准与JESD51-142010的技术性差异及其原因如下：——将JESD51-142010第4.2.1瞬态双界面测量原理进行精简后，写入本标准5.4瞬态双界面测量中，以增加可操作性；——删除了JESD51-142010第4.2.2温度控制散热器部分，以适应我国的技术条件；——将JESD51-142010第4.2部分定义的无/有导热硅脂或热油两种测试状态，重新定义为低/高导热两种测试状态，以适应我国的技术条件；——根据JESD51-142010测试原理，本标准增加了测试原理图、测试时序图，以增加可操作性；——本标准对两条瞬态热阻抗曲线的分离点确认和结-壳热阻的计算只规定原理，不限制实现方法，以适应我国的技术条件。本标准做了下列编辑性修改：——将标准名称修改为《半导体器件结-壳热阻瞬态测试方法》；——将JESD51-142010第5章调整为本标准资料性附录A；——关于规范性引用文件，调整如下：——删除了JESD51-142010附录A、B、C、D。本标准由贵州省机械电子产品质量监督检验院提出。本标准由贵州省质量技术监督局归口。本标准起草单位：贵州省机械电子产品质量监督检验院、中国振华集团永光电子有限公司。本标准主要起草人：李明贵、禹忠、付悦、岳萍、刘德军、钟健思、曹珩、章俊华、林小文、邵建平、马静。DB52/T1104—20161半导体器件结-壳热阻瞬态测试方法本标准规定了具有单一热流路径的半导体器件结-壳热阻Rth(J-C)的瞬态测试方法。本标准适用于具有单一热流路径的半导体器件。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T11499半导体分立器件文字符号GB/T14862半导体集成电路封装结到外壳热阻测试方法GJB548B微电子器件试验方法和程序3术语和定义GB/T11499《半导体分立器件文字符号》确立的以及下列术语和文字符号适用于本标准。4符号和缩略语GB/T11499《半导体分立器件文字符号》确立的符号及缩略语适用于本标准。5结-壳热阻测量5.1测试原理5.1.1冷却曲线法通过对被测器件施加一恒定的加热功率，使被测器件的管芯温度（结温）升高，达到热平衡后，切断加热功率，不断测试被测器件的结温，直至达到冷态平衡，作出结温随时间的变化曲线，利用结温随时间的变化曲线计算出瞬态热阻抗Zth(J-C)曲线；通过给被测器件的管壳施加两种不同的散热方式，作出两条瞬态热阻抗Zth(J-C)曲线，将两条瞬态热阻抗Zth(J-C)曲线绘制在同一坐标系中，两条瞬态热阻抗Zth(J-C)曲线的分离点的Zth(J-C)即为半导体器件结-壳热阻Rth(J-C)。5.1.2加热曲线法如果对被测器件施加一恒定的加热功率不会干扰采集被测器件管芯的温度敏感参数，也可以在施加加热功率的同时不断测试被测器件的结温，直至达到热态平衡，作出结温随时间的变化曲线，后处理同5.1.1。2DB52/T1104—20165.2测试电原理图测试电原理见图1。图1测试电原理图5.3测试步骤5.3.1测试被测器件的热敏系数（K-系数）被测器件的热敏系数K按照GB/T14862中4.4.4所述方法测量。5.3.2测试温度敏感参数（TSP）曲线先接通图1中开关K1-1、K1-2，给被测器件（芯片）接通恒定加热电流IH，加热器件，使其达到热平衡(直到结温保持恒定)；达到热平衡后，记录好最终加热电压VH及加热电流IH。断开K1-1、K1-2开关，切断加热电流IH，接通K2-1、K2-2开关，给被测器件（芯片）接通恒定测试电流IM，测试、保存被测器件的温度敏感参数，采样速率应为每十倍时间至少取样50次，直至达到冷态平衡，测试时序见图2。I热平衡冷平衡VtV加热阶段测量阶段VHt1t2t3t4t5t图2测试时序图DB52/T1104—201635.3.3计算结温（TJ(t)）曲线根据被测器件的热敏系数（K-系数）和温度敏感参数值计算出结温TJ(t)，结温的计算方法按照GB/T14862中4.4.4，并绘制出结温曲线。图3所示为采用冷却法得到的结温曲线。图3冷却法结温曲线的半对数坐标图5.3.4偏差校正由于在切断加热电流的瞬间存在干扰，导致从t2到t3之间采集的温度敏感参数是无效的，必须丢弃，但这段时间内的结温变化∆TJ(tcut)又不能忽略。根据在短时间内，结温变化∆TJ(t)与时间的平方根t之间存在近似线性关系，可通过曲线拟合方式得到t2到t3之间丢弃的结温曲线。切断加热电流瞬间的初始结温TJ0的确定图见图4。DB52/T1104—20164图4确定初始结温TJ05.3.5计算Zth(J-C)曲线根据冷却曲线TJ(t)，采用公式（1）计算Zth(J-C)曲线。当t＞tcut.....................(1)如果被测器件的芯片提供独立的加热和测试结构，还可记录加热曲线（恒定加热功率），而不是冷却曲线。但是，必须注意在加热时间内，保持功率损耗恒定。可进行类似的偏差校正，但必须采用公式（2）计算Zth(J-C)曲线。当t＞tcut.......................(2)5.4瞬态双界面测量5.4.1低导热条件下的Zth(J-C)曲线测量将被测器件与散热器接触面上的粘附材料仔细清理干净，被测器件直接安装在散热器上，切勿使用任何热界面材料，见图5（a）。按5.3所述方法进行Zth(J-C)测量，绘制出的Zth(J-C)曲线被称为Zth(J-C)1。5.4.2高导热条件下的Zth(J-C)曲线测量在被测器件与散热器的接触面上涂上一层薄薄的导热硅脂或热油，见图5（b）。按5.3所述方法进行Zth(J-C)测量，绘制出的Zth(J-C)曲线被称为Zth(J-C)2。DB52/T1104—20165图5瞬态双界面测量安装示意图说明a）——低导热条件安装示意图（b）——高导热条件安装示意图图6不同散热条件下的Zth(J-C)曲线5.4.3热阻Rth(J-C)的确定被测器件安装散热条件的不同，导致Zth(J-C)曲线（图6）在时间点tS时明确分离。由于两条Zth(J-C)曲线在热流进入热界面层时开始分离，此处Zth(J-C)(tS)接近稳态热阻Rth(J-C)。对Zth(J-C)曲线的分离点情况进行评估，从而得出Rth(J-C)。经验表明，Zth(J-C)曲线的差异越小，就越不容易找到或甚至找不到Zth(J-C)曲线的分离点，这一差异应明显大于Zth(J-C)曲线测量点的离散值。DB52/T1104—201666需报告信息出于完整性，与测量的结壳热阻Rth(J-C)一起，应当报告有关所有试验条件和确定数值的数据评估方法的信息；有关与热数据一起提供的信息，参见表1。如果没有该信息，热数据或热规范的呈现是毫无意义的。表1需要与热数据一起提供的信息DB52/T1104—20167（规范性附录）基于热阻抗曲线Zth(J-C)分离点确定Rth(J-C)A.1分离点的定义严格来说Zth(J-C)曲线并没有明确分离点，但是曲线之间的差值会在某段时间范围内加大（图A.1）。因此有必要对这个时间tS进行更精确的定义。因为Zth(J-C)1和Zth(J-C)2的导数曲线（图A.2）的分离点相对原曲线来说更加容易定义，我们通过对Zth(J-C)曲线的导数曲线进行评估来确定分离点，如果z=ln(t)是对数时间值，那么a(z)就是Zth(J-C)值，相当于z的函数，也就是说：a(z)=Zth(J-C)(t=exp(z))forz=ln(t)................(A.1)DB52/T1104—20168图A.2（a）图6两条Zth(J-C)曲线的导数曲线da1/dt和da2/dt（b）差值Δ(da/dz)=da1/dz-da2/dz图A.3规范差值δ=(da1/df-da2/dt)/Δθ曲线两条Zth(J-C)曲线（参见图6）的差值Δθ对导数曲线的差值(Δ(da/dz)=da1/dz-da2/dz）也有影响。为了尽量减小这种影响，Δ(da/dz)需以Δθ进行规范化(图A.3)，该曲线与Zth(J-C)2(t)形成对比，就可以直接从图上获得Rth(J-C)(图A.3)：DB52/T1104—20169.........................(A.2)定义Zth(J-C)1和Zth(J-C)2曲线的分离点为δ曲线与某个限值ε相交时的最大时间值tS。结-壳热阻Rth(J-C)即为Zth(J-C)2(ts)，可从δ曲线(图A.3)得出最大的Zth(J-C)值。A.2ε选择根据以上定义，Rth(J-C)值即为限值ε函数。为了与传统的结壳热阻定义保持一致，限值ε必须进行选择，以便得出的Rth(J-C)与稳态热阻尽量靠近。因半导体器件的实际稳态Rth(J-C)不可提前得知（也不可通过其它方法进行精确测量），因此需依靠有限元模拟来进行正确的ε计算。有限元模拟显示出ε的数值取决于芯片尺寸和引线框几何形状。总体趋势来说，Rth(J-C)较小的半导体器件的ε值较小，Rth(J-C)值较高的ε数值较大。ε曲线交叉点的横坐标根据对不同芯片的尺寸和引线框几何形状的有限元仿真，可用以下走势线计算得出ε:ε=0.0045W/K.Rth(J-C)+0.003......................(A.3)结壳热阻值Rth(J-C)是δ曲线和ε曲线交叉点的横向坐标，参见图A.4。为了避免最后结果受到δ曲线随意波动的影响，将用适当的拟合函数进行替代，比如指数拟合曲线。δ=α.exp(β.Zth(J-C))..............................(A.4)A.3评估步骤根据测量的Zth(J-C)1和Zth(J-C)2曲线可按以下步骤进行结-壳热阻计算：第1步：将测量点的时间数值{t1,...,tn}(以秒为单位)转化为对数时间值{zi=ln(ti)}。对数时间标度最小值（最大值）为zmin（zmax）。DB52/T1104—2016图A.5按照实测Zth(J-C)曲线计算导数da/dz第2步：计算导数da1/dz和da2/dz。可按图A.5所示的测量点{(zi,Zth(J-C)(ti))}1/2的分段线性内插完成该计算。为计算da1/dz和da2/dz的差值，重要的是要计算同一点{z1,...,zm}的导数，应在区间[zmin,zmax] 内等距分布。内插点的数量应大于或等于100。同时需要内插点处的Zth(J-C)值{a