摘要：文中通過(guò)熱阻的測(cè)試原理分析和實(shí)際案例，分別從熱阻測(cè)試條件、控制限、上芯空洞、傾斜、芯片內(nèi)阻等幾個(gè)方面，全面地闡述對(duì)熱阻測(cè)試結(jié)果的影響，并通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)形成圖表，較為直觀(guān)明了，總結(jié)出熱阻測(cè)試失效的各種可能原因。
關(guān)鍵詞：熱阻；功率電流；測(cè)量電流；錫層厚度

    隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體分立器件的功率越來(lái)越大，使得產(chǎn)品的耗散功率增大。同時(shí)由于成本控制的原因，芯片和成品的尺寸都在不斷的縮小，在一定程度上又限制了產(chǎn)品的散熱。這就造成了產(chǎn)品存測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生熱阻不良。本文重點(diǎn)閘述了熱阻測(cè)試原理和各類(lèi)失效模式，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1 熱阻概念及測(cè)試原理
1．1 熱阻概念及作用
    熱阻是依據(jù)半導(dǎo)體器件PN結(jié)在指定電流下兩端的電壓隨溫度變化而變化為測(cè)試原理，來(lái)測(cè)試功率半導(dǎo)體器件的熱穩(wěn)定性或封裝等的散熱特性，通過(guò)給被測(cè)功率器件施加指定功率、指定時(shí)間PN結(jié)兩端的電壓變化(△VBE／△VF／△VGK／△VT／△VDS)作為被測(cè)器件的散熱判據(jù)。并與指定規(guī)范值比較，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行篩選，將散熱性差的產(chǎn)品篩選掉，避免散熱性差的產(chǎn)品在應(yīng)用過(guò)程中，因溫升過(guò)高導(dǎo)致失效。各類(lèi)產(chǎn)品的熱阻名稱(chēng)見(jiàn)表1。

1．2 熱阻測(cè)試原理
    熱阻測(cè)試儀配有接觸檢測(cè)和震蕩探測(cè)功能，以防止接觸不良和震蕩造成的溫度測(cè)量錯(cuò)誤，提高了測(cè)試儀的穩(wěn)定性。測(cè)試儀提供手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試，可測(cè)量瞬態(tài)熱阻，存恒溫槽的配合下，也可測(cè)量功率器件的穩(wěn)態(tài)熱阻，通過(guò)輸入一個(gè)溫度系數(shù)到測(cè)試儀，也可顯示結(jié)點(diǎn)升高的溫度。
    下面以NXP雙向可控硅BT137—600產(chǎn)品為例，詳細(xì)說(shuō)明熱阻測(cè)試原理。
    雙向品閘管需要測(cè)試笫一象限△VT1和第三象限△VT3，測(cè)試條件相同，如表2所示。

    其中，IF：施加功率電流；IG：門(mén)極觸發(fā)電流；IM：測(cè)最電流；PT：施加功率時(shí)間；DT：冷卻時(shí)間：LOWER LIMIT：規(guī)范下限；UPPER
LIMIT：規(guī)范上限。
    測(cè)試電路如圖1所示，測(cè)試時(shí)序如圖2所示。

2 熱阻失效分析
2．1 產(chǎn)品截面圖
    產(chǎn)品截面如圖3所示。從產(chǎn)品截面圖中，標(biāo)識(shí)的散熱主要方向是從芯片發(fā)熱區(qū)，經(jīng)過(guò)上芯錫層，再通過(guò)框架載芯板／散熱板，散發(fā)到測(cè)試環(huán)境中。

2．2 熱阻測(cè)試預(yù)判斷失效
    熱阻測(cè)試前的預(yù)判斷測(cè)試項(xiàng)目IF>50 A、IG>500 mA、VT1>4 V、VT<0．1 V發(fā)生失效，實(shí)際上并不是真實(shí)的熱阻失效，而是產(chǎn)品開(kāi)短路或漏電過(guò)大或測(cè)試設(shè)備不良導(dǎo)致的。所以，這一類(lèi)失效，此時(shí)并不需要分析熱阻，而是要分析測(cè)試設(shè)備是否有問(wèn)題，產(chǎn)品是否開(kāi)短路或漏電。
2．3 熱阻低于規(guī)范值
    真正的熱阻測(cè)試失效有兩種情況，一類(lèi)是低于規(guī)范值、一類(lèi)是高于規(guī)范值。熱阻測(cè)試規(guī)范中設(shè)置下限，實(shí)際足為了防止混管，實(shí)際上，熱阻越小越好，所以當(dāng)熱阻低于規(guī)范值時(shí)，只需要確認(rèn)是否混管或誤測(cè)，如果鄙不是，可以直接放寬規(guī)范下限或取消規(guī)范下限，將不良品復(fù)測(cè)即可。
2．4 熱阻測(cè)試高于規(guī)范值
    熱阻高于規(guī)范值失效，目前，已知可能的原因有以下幾種：
    ①上芯空洞超標(biāo)、結(jié)合不良；
    ②錫層厚度偏厚、傾斜；
    ③芯片內(nèi)阻大；
    ④測(cè)試規(guī)范上限設(shè)置過(guò)于嚴(yán)格；
    ⑤測(cè)試條件設(shè)置不合理；
    (1)空洞超標(biāo)、結(jié)合不良
    空洞超標(biāo)、結(jié)合不良會(huì)導(dǎo)致熱阻偏大，是由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于錫?？諝庠跇?biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)是0．0244 W／(m．k)，而錫的導(dǎo)熱系數(shù)是67 W／(m．k)，相差近3000倍。所以空洞對(duì)熱阻的影響是非常大的，遠(yuǎn)大于錫層偏厚或傾斜的影響。熱阻分布如圖4所示。

    (2)錫層厚度偏厚、傾斜
     錫層厚度偏厚或傾斜，增加了熱傳導(dǎo)的距離，一定程度上使產(chǎn)品溫度上升較快，導(dǎo)致熱阻偏大，但其影響遠(yuǎn)低于空洞或產(chǎn)品自身內(nèi)阻增加造成的熱阻偏大。熱阻分布如圖5所示。

    (3)芯片內(nèi)阻偏大
    當(dāng)芯片內(nèi)阻偏大時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)明顯增加，導(dǎo)致產(chǎn)品溫度上升，熱阻增加。熱阻分布如圖6所示。

    (4)測(cè)試規(guī)范上限設(shè)置過(guò)于嚴(yán)格
    如果熱阻測(cè)試規(guī)范上限設(shè)置過(guò)于嚴(yán)格，熱阻典型值基本全部集中在測(cè)試規(guī)范的上限附近，當(dāng)芯片內(nèi)阻稍偏大或錫層稍偏上限，或空洞稍偏大(但全部在控制規(guī)范內(nèi))，熱阻就會(huì)偏大超標(biāo)。其熱阻分布如圖7所示。

    (5)測(cè)試條件設(shè)置不合適
    當(dāng)熱阻測(cè)試條件設(shè)置不合適時(shí)，例如：IM過(guò)于臨界，產(chǎn)品出現(xiàn)一點(diǎn)波動(dòng)時(shí)，熱阻可能會(huì)出現(xiàn)“虛高”。通過(guò)調(diào)整IM參數(shù)，“虛高”的產(chǎn)品和正常產(chǎn)品，用調(diào)整后的程序測(cè)試，會(huì)得到基本一致的熱阻值。數(shù)據(jù)如表3所示，其熱阻分布如圖8所示。

    (6)測(cè)試環(huán)境
    如果測(cè)試環(huán)境的溫度較高，或散熱能力差，會(huì)影響到產(chǎn)品的散熱。所以當(dāng)產(chǎn)品熱阻測(cè)試失效時(shí)，首先要確認(rèn)測(cè)試環(huán)境是否存正常的測(cè)試規(guī)范內(nèi)，然后冉進(jìn)行其他方面的進(jìn)一步分析。
    (7)錫層厚度、傾斜度對(duì)熱阻的影響程度

    取T0—220產(chǎn)品BT137—600調(diào)試不同的錫層，同時(shí)保證空洞一致，測(cè)試空洞是在0．2％～0．6％之間，然后一對(duì)一測(cè)試熱阻。熱阻測(cè)試值隨錫層厚度增加而升高，但升高幅度很小，和錫層傾斜度(在40um以?xún)?nèi))關(guān)系不大(見(jiàn)圖9)。錫層厚度的影響如圖10所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文闡述了熱阻的概念、測(cè)試原理、大效模式及對(duì)應(yīng)的原因分析，同時(shí)將各類(lèi)失效模式，利用SPC技術(shù)，轉(zhuǎn)換成圖表，更加清晰明了。