如何用T3Ster測試IC的熱特性

近期不少客戶咨詢，如何測試封裝IC類樣品的熱特性，以及結溫與封裝熱阻的測量。在本文中，將結合集成電路熱測試標準和載板設計標準向大家介紹如何用T3Ster瞬態熱阻測試儀測試IC產品的熱特性。

介紹

隨著電子產業的蓬勃發展，電子組件的發展趨勢朝向高功能、高復雜性、大量生產及低成本的方向。組件的發熱密度提升，伴隨產生的發熱問題也越來越嚴重，而產生的直接結果就是產品可靠度降低，因而熱管理相關技術的發展也越來越重要。電子組件熱管理技術中最常用也是重要的評量參考是熱阻，對于IC 封裝產品，最重要的參數是由芯片熱源到固定位置的熱阻，其定義為：

熱阻值一般常用 θ或是 R 表示，其中 Tj 指芯片熱源的結溫，Tx 為熱傳到某點位置的溫度，P 為發熱功率。熱阻大表示熱量不容易傳遞，散熱效果差，因此器件工作時產生的溫度就比較高，產品可靠性下降。電子系統產品設計時，為了預測及分析組件的溫度，需要使用熱阻值的數據，因而設計人員除了需提供良好散熱設計，更需提供可靠的熱阻。 最常見的熱阻參數：RJA（結到環境熱阻），RJC（結到殼熱阻）和RJB（結到板熱阻）。當知道參考溫度（環境、箱子、板），功耗以及相關的熱阻值時，即可計算結溫。當封裝的IC直接安裝到PCB或散熱器的高導熱封裝時，RJC就非常重要，RJB則表示了IC到PCB板的散熱熱阻。而RJA通常需要在JESD51-2A中規定的熱阻測試環境中測試。

JESD51-2A的熱阻測試環境：（標準靜止空氣箱）。

圖一：標準靜止空氣箱

Rthj-bottom表示結到塑封料底面(case bottom)的熱阻，不含金屬焊料表面。

Rthj-board表示結到PCB板背面的熱阻。遵循的標準JEDEC51-14一維傳熱路徑雙界面分離法。

Rthjt表示結到器件塑封料頂部（top）的熱阻。遵循的標準JEDEC51-14一維傳熱路徑雙界面分離法。

Rthja表示結到環境（air）的熱阻，遵循的標準JEDEC51-2集成電路自然對流熱測試環境要求及測試方法。

圖二：熱阻參數定義

IC熱阻測量方法

由于一般 IC 封裝時芯片發熱區會被封裝材料覆蓋，無法直接測量芯片工作時的溫度，因此熱阻量測所采用的方式一般是利用電性特性來量測，即JEDEC標準中的ETM電壓法測量。

圖三：JEDEC JESD 51半導體熱測試標準

例如芯片上的二極管或晶體管的溫度及電壓特性，由于導通時正向壓降和溫度會呈線性關系，因此可用來作為溫度敏感參數(Temperature Sensitive parameter)。

圖四：電壓法測試結溫原理

T3Ster作為一款先進的半導體器件封裝熱特性測試儀器，能幫助用戶在數分鐘內獲取各類封裝的熱特性數據。它能夠通過電壓法精確測量IC器件的結溫和封裝熱阻，然而IC的內部電路十分復雜，不像分立器件可以直接對其二極管特性進行測量，我們需要找到其電壓特性來進行熱測試。一般而言，對于CMOS工藝的IC，我們可用其體二極管作為熱源進行熱測試。

圖五：COMS結構測試其體二極管

當不滿足這種測試方式時，可采用熱測試芯片（thermal test chip）來進行封裝的熱阻測量。熱測試芯片是為了提供統一的加熱結構(如電阻或有源器件)而專門設計的，包括一個或多個小的、規律性排布的溫度感應二極管。加熱結構必須占芯片總面積的85%以上。電阻可以設計為單一單元或者兩個或多個隔離的電阻器一起，但總面積必須滿足此覆蓋率要求。通常會優選后一種結構，因為它可以在設置加熱源時提供更大的靈活性。如果芯片中包含有單個二極管，則通常會放在芯片的中心。

圖六：典型的熱測試芯片原理圖及測試連接

熱阻測試載板

當一個IC樣品滿足了電壓法測量條件后，為了便于接線和操作，以及確保測試結果的可靠性和可比性，需要制作標準測試載板，標準測試載板可幫助工程師評估器件的熱性能，確定適當的散熱措施和設計參數，提高IC器件的可靠性和性能。

載板設計標準JESD51-7和JESD51-9對測試載板的尺寸、材料和表面處理等方面都作出了嚴格的要求，這些要求可以更好地控制測試條件，從而減少測試誤差。

圖七：典型的熱阻測試載板1

圖八：典型的熱阻測試載板2

當標準測試載板制作完成后，將IC焊接在標準測試載板上，就可以用T3Ster測量其熱特性。

圖九：貝思科爾實驗室T3Ster實測IC樣品

圖十：T3Ster記錄樣品的瞬態溫度響應

圖十一：通過數據處理得到樣品的Rja值

總結

利用T3Ster測試IC樣品的熱特性，我們首先需確定其電壓特性，通過芯片的反向二極管、襯底二極管或者是制作熱測試芯片等方式實現，再將芯片焊接在標準的測試載板上，才能對樣品進行測量。

貝思科爾（BasiCAE），專注于為國內高科技電子、半導體、通信等行業提供先進的電子設計自動化（EDA）、工程仿真分析（CAE）、半導體器件熱阻（Rth）及功率循環（Power Cycling）熱可靠性測試，以及研發數據信息化管理的解決方案和產品服務。

審核編輯：湯梓紅