热阻测试系统--文集

半导体器件的热阻测试

北京华峰测控技术有限公司 孙 铣 刘惠鹏

摘要：本文介绍了半导体器件热阻的基本概念和相关标准对热阻测试的要求，阐述了热阻测试的实际意义和技术难点，比较了瞬态热阻和稳态热阻的概念差别，并介绍了STS 2109A半导体器件热阻测试系统的软硬件性能。

关键词：稳态热阻、瞬态热阻、热敏参数、结温、参考点温度。

一、热阻的基本概念

热阻是一个物理学概念，指的是热流（功率）流过导热体时所受到的阻力（会在导热体上产生温差）。热阻的倒数就是热导，通俗地讲，物体的导热性能好就是热阻小。

对于半导体器件来讲，在其工作时要施加一定的功率（特别是功率器件），这一功率的绝大部分被转换为热量，并导致器件温升。芯片上的热量通过芯片烧结材料传递到外壳，并进一步传递到周围的空气环境（对功率器件有时还要通过散热器）。

对于工作时不需要加散热器的小功率器件，热阻指的是从芯片到周围空气环境的热阻，通常表示为：

Rt = （Tj – Ta）/ P

式中 Tj 为芯片结温，Ta 为环境温度，P 为功率。

对于工作时需要加散热器的大功率器件，热阻指的是从芯片到器件外壳（底面中点）的热阻，通常表示为：

Rt = （Tj – Tc）/ P

式中 Tj 为芯片结温，Tc 为器件外壳温度，P为功率。

热阻的单位为℃/W（或℃/mW），其含义为向器件每施加1W功率时，器件的芯片结温和热参考点（环境温度或器件壳温）之间所产生的温差。

二、相关标准对热阻测试的规定

鉴于热阻参数的重要性，美军标MIL-S-19500H《半导体器件总规范》在B组检验和E组检验中明确规定了热阻测试的方法、条件和抽样方案。各类器件热阻测试的具体方法在美军标MIL-STD-750C《半导体器件试验方法》中做了明确而详细的说明。

参照美军标，国军标GJB 33A-97《半导体分立器件总规范》同样也在B组检验和E组检验中明确规定了热阻测试的方法、条件和抽样方案。各类器件热阻测试的具体方法在国军标GJB 128A-97《半导体器件试验方法》中做了明确而详细的说明。

下述国家标准和行业军标对各种类半导体器件热阻的测试也做出了相应的规定和要求：

国标 GB/T 4587-94《半导体器件和集成电路第7部分：双极型晶体管》（IEC 747-7-1988）

国标 GB/T 4586-94《半导体器件分立器件第8部分：场效应晶体管》（IEC 747-8-1984）

国标 GB/T14862-93《半导体集成电路封装结到外壳热阻测试方法》

行业军标 SJ20787-2000《半导体桥式整流器热阻测试方法》

行业军标 SJ20788-2000《半导体二极管热阻抗测试方法》

三、半导体器件热阻参数的实用意义

由于器件的使用可靠性是器件芯片温度的函数，因此热设计成为可靠性设计中的重要内容之一。作为器件的使用者，为降低器件工作时的芯片温度，确保器件的使用可靠性，线路设计要考虑器件的功率冗余，结构设计要考虑器件的散热条件，而这些设计的定量计算，都需要依据器件的稳态热阻参数。

另外在对器件进行可靠性筛选时，为收到良好的筛选效果同时又不损坏正常的器件，就需要确定合理、有效的筛选应力。对于功率老化筛选，通常要求将器件的芯片结温达到规定的最高结温（对于硅器件为175℃）作为功率老化的条件之一。为达到这一目的，对于小功率分立器件一般要采用超功率老化（超过器件的额定功率数倍）来提高器件的芯片结温。对于大功率分立器件，则需要调节器件的散热条件来提高器件的芯片结温。

我国的军用半导体功率器件为追求提高器件的使用可靠性，通常采用一种“大马拉小车”的方法，即在器件的设计中加大芯片的面积，降低了器件的热阻（有时实际热阻只有标称热阻的几分之一），因而获得在相同使用条件下较低的工作结温。这一方法固然在一定程度上可以提高器件的使用可靠性（对那些没有缺陷的好器件），但由于实际热阻远小于标称热阻，如果采用标称热阻做依据来设定和控制器件功率老化的条件（如壳温控制在75℃），就会使结温远低于规定的最高结温（175℃）。由于温度应力不够，将明显降低器件可靠性筛选的效果，不足以有效淘汰那些内部存在缺陷，会导致早期失效的器件，这样反而会降低器件的使用可靠性。所以为设定科学、严格的可靠性筛选条件，进而保证器件可靠性筛选的效果，准确测量器件的稳态热阻参数是非常必要和急待解决的问题。

因此器件的稳态热阻参数不论是对于器件的使用者完成整机的可靠性设计，还是器件的生产者完成器件的可靠性筛选，都是极其重要的。

四、稳态热阻和瞬态热阻

前面提到的热阻，我们称之为稳态热阻（标准中称为稳态热响应），这是指经过足够长的时间后，器件、散热器系统及周边环境己达到了热平衡情况下所测到的热阻。对于确定器件功率老化条件，对于整机的热设计所需的都是稳态热阻，美军标和国军标的B组和E组检验中提到的同样是稳态热阻。

由于稳态热阻的测量要达到热平衡，对功率器件还要在测试时装上散热器，因此测试时间比较长，操作比较复杂，只适合进行抽样检验，而不适合对器件进行100%的筛选。

在半导体器件工艺生产过程中，为快速、有效地检验器件芯片和外壳之间的烧结质量（热阻），可以采用瞬态热阻（标准中称为瞬态热响应）的筛选方法。该方法向器件施加一电功率脉冲，在脉冲结束后立即测量器件的热敏参数变化，以推断器件芯片的温升，进而推断器件烧结质量（烧结热阻）的好坏。为了保证筛选的有效性，电功率脉冲应控制在使热量仅加热芯片和加热芯片至衬底的交界面，所使用的脉冲宽度稍大于芯片的热时间常数，但小于到达衬底的热时间常数。

从概念上来说，稳态热阻有两个确定的温度参考点（结温和壳温，或者结温和环境温度），有流经这两个温度参考点的恒定的热流（功率），因此可以计算出一个定量和确定的热阻值。而瞬态热阻反映的仅仅是结温（结压）对特定功率脉冲（电压、电流、脉宽）的响应，用结温的瞬间温差变化除以脉冲功率所得到的所谓瞬态热阻值与稳态热阻值之间完全是两个不同的概念，更没有也不可能有相互对应的关系。因此国外用于瞬态热阻测试的仪器通常就叫做?V BE测试仪，其实这才是确切的提法。

从测试方法上来说稳态热阻和瞬态热阻的测量有以下主要的不同：

1．稳态热阻是在热平衡的条件下测量，瞬态热阻是在热不平衡的条件下测量。

2．稳态热阻是定量的测量，瞬态热阻是半定量和定性的测量。

3．稳态热阻是向器件施加高占空比的连续功率脉冲，并在脉冲之间测量热敏参数，瞬态热阻是向器件施加单一功率脉冲，并在脉冲结束后测量热敏参数。

因此稳态热阻和瞬态热阻虽然都反映了器件的热特性，有一定的相关性，但却是两个不同的概念，没有办法等同和进行比对，因此也更没有办法相互代替。相比之下稳态热阻是更为基础的参数，依据稳态热阻的数据可以使瞬态热阻筛选的条件更加科学、合理。

五、热阻参数测试的主要技术难点

要实现热阻参数的测试涉及到电学和热学测量方面的一些技术难点，主要有以下几个方面：1．器件的热敏参数及测试

在热阻的公式中有一项结温（Tj），为非破坏性地获取这一参数，无法采用直接测量的方法（例如通过红外热相仪）。只能通过器件的热敏参数进行间接的测量。双极型器件的PN结具有良好的温度特性，PN结的正向压降在特定的范围（电流、温度）内与温度之间呈现出非常好的线性关系，并且具有良好的稳定性和重复性。因此在实际的热阻测试过程中通常都是通过测试器件的热敏参数间接得到器件的结温。典型双极型器件PN结结压和温度的关系特性见图1。

图1. 典型双极型器件PN结结压和温度的关系特性

双极型硅器件PN结正向压降呈负温度系数（在一定的正向电流范围内），大约为-2mV/℃左右，如果有几十度的温度变化，大约会有上百毫伏的电压变化，这在测试上并没有什么难度。但在热阻参数的测试过程中结压的测试要在功率脉冲结束瞬间的几十到几百微秒内完成。在这一段时间内由于器件的管芯和管壳之间会有几十度到上百度的温差（物理距离只有几毫米），管壳又是温度的良导体，因此在功率脉冲结束瞬间管芯的温度会快速下降。为保证结压测试的真实性，要求功率脉冲的下降沿要非常陡峭，对结压的测试也要在极短的时间内完成。但尽管这样做依然会导致结温的瞬间下降，因此美军标提出了在必要时要采用温度回归的方法来获取功率脉冲结束瞬间管芯的真实温度，并给出了回归的公式。

要想严格按照美军标的方法进行热阻的测试，以获得相对精确的热阻数据，需要解决功率电流

源的快速关断和结压的快速、精确测量等技术难点。

2．器件壳温的控制和测量技术

对于大功率器件的稳态热阻测量，必须要解决壳温的控制和测量技术。为能相对快速进行器件

的稳态热阻测量，需要有能快速调节和稳定器件壳温的散热器系统和准确测量壳温的温度测试系统。散热器系统热容量大有利于壳温的恒定，但会导致热平衡的时间过长。散热器系统热容量小有利于缩短热平衡的时间，但又不利于壳温的恒定。设计能使壳温恒定又有快速调节和平衡能力的散热器系统是稳态热阻测试的又一大技术难点，这也是对热阻参数测试精度影响最大的因素。

3．大功率脉冲恒压、恒流源

为向被测器件施加电功率，使其芯片的结温上升，需要有大功率的恒压和恒流源，为在芯片加热的同时测量其热敏参数，又需要在结压测试的瞬间快速关闭恒流源（对某些器件的测试还需快速关闭恒压源）。为保证在恒流源（恒压源）关闭瞬间不至于造成结温的明显下降，对恒流源（恒压源）的下降沿要有很高的要求，一般要控制在十微秒左右。这对于要提供几十安培电流和上百伏电压的大功率恒流（恒压）源来说也是一个技术的难点。

上述三个主要技术难点中，器件壳温的控制和测量技术难度最大，因为它涉及到电学和热学的综合技术，同时对热阻值精度的影响也最大。

六、关于热阻测试系统的特性

鉴于以上的情况，热阻测试系统应具有如下的主要特性：

1．稳态热阻和瞬态热阻的双重测试能力

稳态热阻的测试用于满足军用半导体器件质量一致性检验中的B组和E组检验的要求，同时也为电功率老化提供科学、合理的壳温条件和散热条件。瞬态热阻的测试用于满足半导体器件工艺生产中的100%筛选，主要剔除那些因芯片烧结质量不合格而导致热阻偏大的器件。在同一台设备上同时完成稳态热阻和瞬态热阻的测试，尚未查到国内外的相关资料。这样做的最大好处在于可以为瞬态热阻的筛选提供更加科学、合理的筛选条件，同时满足稳态热阻和瞬态热阻的不同测试要求。2．严格执行国军标和美军标的要求

对于热阻的测试（特别是稳态热阻的测试）美军标（MIL-STD-750）早有明确的规定，从经典的原理到具体的实现方法都有详细的说明，特别是750的早期版本对热阻测试的各种细节描述的更为详尽，这是我们研制热阻测试系统最主要的依据。国军标（GJB 128A）对热阻测试也有相应的说明，但国军标GJB33A 半导体器件总规范里质量一致性检验中对于晶体三极管和二极管的热阻的测试，没有引用GJB128A（即MIL-STD-750）的相应试验方法，而引用的是国标GB/T 4587（即IEC标准IEC 747-7）的相应试验方法，这本身是标准体系的一种混乱。

另外美军标和国军标对用于热阻测试的源、表及温度测量等方面都提出了明确的精度要求，所研制的热阻测试系统除原理、方法上应符合美军标、国军标外，在精度方面也应符合相关标准的要求。

3．关于K系数（即M值）的测量

新研制的热阻测试系统应具有K系数（器件热敏参数的校准曲线）的测试能力，美军标和国军标中都提出了在进行稳态热阻的测量前应首先进行K系数的测量，只有在器件批样品测试中证明K 系数的标准偏差小于或等于K系数平均值的3%的时候，才能将K系数的平均值用于该批器件的热阻测试和计算。

热阻测试的实践证明不同类型的器件，不同的器件批，其K系数都会有偏差，采用K系数的理论汇聚特性来测试各种不同类型和不同批次器件的热阻，虽有快速的特点，但有一定的局限性，会影响热阻测试的精度，所以在稳态热阻的测量中应坚持进行K系数的测量和校准。在瞬态热阻的测量中不主张显示热阻值（没有实际意义），只对?V BE（或?V F、?V GS）进行显示，因此无须应用

K系数。

4．关于可参照的国外样机

据了解国内引进的国外热阻测试仪主要是日本TESEC公司的产品，该产品只能用于瞬态热阻的测试（不具备校准曲线测试和壳温测试、控制装置），因此主要用于民用半导体产业，国内军用半导体生产单位也有少量引进。该产品可支持晶体二极管、晶体三极管和MOS场效应管（?V DS 法和?V GS法）的瞬态热阻测试。该产品的功率电压均为1-200V，功率电流根据型号分为10A （9614-KT）、40A（9414-KT）、50A（9424-KT、9624-KT）几种。该产品是当前研制热阻测试系统的主要参考机型。

5．关于在移去加热功率到测量热敏参数值期间芯片的降温问题

美军标MIL-STD-750C（83.2.23）中的3131.1方法中曾明确提出，由于某些半导体器件冷却发生在移去加热功率到测量热敏参数值期间，因此，可用对最初250uS的冷却时间有效的数据外推到结束加热功率时的参数值，并给出了外推的公式。这是精确测量半导体器件结温的重要环节。新研制热阻测试系统应具有在移去加热功率后进行多点热敏参数测试的功能，并具有采用软件进行外推到结束加热功率时参数值的能力。

6．关于无穷大散热器系统

为满足不同功率半导体器件在进行热阻测试时对壳温的控制和测试要求，新研制的热阻测试系统将配备无穷大散热器系统。该系统将能够快速将半导体器件的壳温稳定到所需的温度，并保持其稳定。为降低该系统自身的热阻，将利用半导体致冷板及热管等先进技术。

七、关于热阻测试系统的主要技术指标

根据国外热阻测试系统（主要是Tesec公司的相关产品）的技术指标，以及国内对热阻测试的实际需求，特制定出新研制的热阻测试系统的主要技术指标。

1．脉冲加热电压源（V CB、V DS）

a）电压范围、分辨力、精度：

电压范围分辨力精度

0 – 200V 50mV ±（0.25%+5LSB）

b）最大负载电流20A。

c）最大输出功率500W（25V/20A，50V/10A，100V/5A，200V/2.5A）。

d）稳态方式脉冲占空比49：1。

e）瞬态方式脉冲宽度300uS – 10S。

f）脉冲前、后沿 <50uS。

g）电压过冲 <5%。

2．脉冲加热电流源（I E，I DS，I F）

a）电流范围、分辨力、精度：

电流范围分辨力精度

0 – 200mA 50uA ±（0.25%+5LSB）

0 – 2A 500uA ±（0.25%+5LSB）

0 – 20A 5mA ±（0.5%+10LSB）

b）最大输出电压±5V

c）稳态方式脉冲占空比49：1。

d）瞬态方式脉冲宽度300uS – 10S。

e）脉冲前、后沿 <50uS。

f）电流过冲 <5%。

3．脉冲测试电流源（I M）

a）电流范围、分辨力、精度：

电流范围分辨力精度

0 – 20mA 5uA ±（0.25%+5LSB）

0 – 200mA 50uA ±（0.25%+5LSB）

b）最大输出电压±5V。

4．热敏参数测试（V BE、V GS、V F）

a）电压范围、分辨力、精度：

电压范围分辨力精度

0 – ±1V 0.25mV ±（0.25%+5LSB）

0 – ±2V 0.5mV ±（0.25%+5LSB）

0 – ±5V 1.25mV ±（0.25%+5LSB）

0 – ±10V 2.5mV ±（0.25%+5LSB）

b）采样脉冲宽度20uS。

5．无穷大散热器系统

a）吸收功率 < 500W。

b）控温范围40 –75℃（控温精度 ±0.5℃）。

c）测温范围30 –100℃（测温精度 ±0.5℃）。

稳态热阻测试上位机图形界面

K系数测试上位机图形界面