JESD51-14標準翻譯

1、維傳熱路徑下半導體器件結殼熱阻瞬態(tài)雙界面測試法目錄1.范圍. 錯誤!未定義書簽2.參考標準. 錯誤!未定義書簽3.專業(yè)名詞及定義 . 錯誤!未定義書簽4.結殼熱阻測試（測試方法） . 錯誤!未定義書簽1 . 錯誤!未定義書簽2 . 錯誤!未定義書簽3 . 錯誤!未定義書簽4 . 錯誤!未定義書簽瞬態(tài)冷卻曲線測試（熱阻抗 ZJC）. 錯誤!未定義書簽結溫測試. 錯誤!未定義書簽瞬態(tài)冷卻曲線的記錄 . 錯誤!未定義書簽偏移校正. 錯誤!未定義書簽ZOJC曲線. 錯誤!未定義書簽備注. 錯誤!未定義書簽熱瞬態(tài)測試界面法步驟. 錯誤!未定義書簽測試原理. 錯誤!未定義書簽控溫熱沉. 錯誤!未定義書簽附

2、件 C FOSTER 與 CAUER R 網(wǎng)絡模型之間的轉(zhuǎn)換錯誤!未定義書簽干接觸 Zejc曲線的測量.加導熱膠或油脂的 ZeJC曲線測量 .兩 ZeJC曲線達到穩(wěn)態(tài)后的最小差值 .備注 .5熱瞬態(tài)測試界面法的計算 .初步評估 .方法 1：以 Z0jc曲線分離點計算eJC.確定分離點 .怎樣選擇&值.評估的詳細步驟 .方法 2：結構函數(shù)法 .初步評估 .評估的詳細步驟 .6信息報告 .7參考文獻 .附件 A 時間常數(shù)譜和積分結構函數(shù)的定義 .附件 B 從 Zth函數(shù)獲得時間常數(shù)譜 .錯誤! 未定義書簽錯誤! 未定義書簽錯誤! 未定義書簽錯誤! 未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽

3、錯誤!未定義書簽錯誤! 未定義書簽錯誤! 未定義書簽錯誤! 未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤! 未定義書簽錯誤! 未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽本文已在 JEDECJC-15 關于熱性能的會議上作了充分準備。旨在詳細規(guī)定從半導體的熱耗散結到封裝外殼表面的一維傳熱路徑下，半導體器件結殼熱阻RJC（JC）的可重復性測量方法。一維傳熱也就是說，熱流方向是直線的。但是很明顯實際上垂直方向 的熱擴散是三維傳熱的。結殼熱阻是半導體器件最重要的熱性能參數(shù)之一。 將半導體器件的表面與高性能的 熱沉相接觸，結殼熱阻說明了器件在最理想的冷卻條件下熱性能的極限。RJC應在器

4、件的數(shù)據(jù)手冊中給出。RJC值越小熱性能越好。半導體器件結殼熱阻RJC（JC）傳統(tǒng)的定義是：將器件表面與水冷銅熱沉相 接觸，直接測量結與殼的溫度差，如MIL-883標準N1所述。殼溫需用熱電偶測 量，很容易產(chǎn)生誤差，測量的結果不具有可重復測量性。 原因之一是器件的殼溫 分布不均勻， 熱電偶只測得與它相接觸位置的殼溫， 這一點很可能不是殼溫的最 大值。另外一個原因是讀取的殼溫值偏低， 熱電偶不能充分與熱沉絕熱， 熱電偶 測量點的熱量會被熱電偶引線和熱沉導走。 考慮到固定器件與熱沉的壓力會使分 層不明顯，可能引起更多的問題。 還有一個系統(tǒng)誤差是熱沉中熱電偶鉆孔的影響。對于較小的器件，這一影響更明顯。

5、本文詳細說明了半導體器件結殼熱阻RJC（JC）的測量方法，而且不需要用熱 電偶測量殼溫。 這種方法大大提高了RJC測量的可重復性， 同時保證了企業(yè)間測 量方法的一致性和數(shù)據(jù)的可比性。本文是半導體器件熱性能JESD5係列標準N2的補充，應與JEDEJESD51-1中描述的電學法一同使用。介紹結殼熱阻JC是衡量半導體器件從芯片表面到封裝表面的熱擴散能力的參 量，其中封裝表面與熱沉相接觸。JESD51-1將之定義為當半導體器件外殼與熱 沉良好接觸以使其表面溫度變化最小時， 熱源到離芯片峰值區(qū)最近的外殼表面的 熱阻。MIL833標準中給出的傳統(tǒng)熱電偶測量方法要求確定結溫Tj，殼溫Tc以及熱耗散功率PH

6、,并且器件外殼與熱沉良好接觸。結殼熱阻采用下式計算：式（1）中JC指的是穩(wěn)態(tài)熱阻，因為它是在穩(wěn)態(tài)條件下得到的，并且它取決于熱流路徑上的結殼溫度差。該測量方法的難點在于外殼與熱沉緊密接觸時，很難用熱電偶精確測量封裝體的殼溫。因此不同的測量設備可能會得到不同的JC與其相反，本文描述的方法在熱沉表面采用不同的冷卻條件， 是僅基于結溫 的瞬態(tài)測試。它無需知道殼溫Tc,從而消除了Tc引入的誤差。該方法僅僅取決 于結溫的測量。為保證與熱沉良好的熱接觸也無需很大的壓力。瞬態(tài)雙界面（TDI）測試原理和過程t二0時給半導體器件施加恒定功率PH,同時外殼與熱沉良好接觸，器件的熱阻抗Zjc（t）定義如下：即：熱阻抗

7、等于結溫TJ（t）隨時間的變化量除以熱耗散功率。即使外殼的冷 卻條件改變，對熱阻抗也沒有影響，除非與熱沉接觸的外殼開始升溫。 每次測量 若接觸熱阻不同得到的穩(wěn)態(tài)總熱阻也不同， 因此不同測量下的熱阻抗曲線將從外 殼表面接觸熱阻的貢獻點開始分離。瞬態(tài)測試法中，接觸熱阻不同的兩次熱阻抗測量可確定與熱沉接觸的外殼表 面。兩次測量中分離點處的熱阻定義為RJC（JC）。JCTJTcPH(1)1. 范圍本文詳細說明了從半導體的熱耗散結到封裝外殼表面的一維傳熱路徑下， 將半導體 器件外殼表面與外部理想熱沉相接觸，結殼熱阻RJC（JC）的測量方法（這里指瞬態(tài) 雙界面法）。本文中測量的熱阻是RJCx（JCx），x

8、表示封裝外殼的散熱面，通常為上表面（x=top）或下表面（x=bot）。2. 參考標準以下的標準文件在本文中以參考文獻的形式出現(xiàn)，組成了本標準的條規(guī)。對于注明 日期的參考文獻，不采用任何補充版或修訂版。不過，人們希望參與本標準協(xié)議的成員 能夠研究并采用參考標準的最近版本。對于未注明日期的參考文獻，采用最新的版本。N1 MIL-STD-883E, METHOD , Thermal Characteristics of Integrated Circuits , 4 November 1980N2 JESD51, Methodology for the Thermal Measurement of

9、 ComponentPackages （Single SemiconductorDevices） . This is the overview document for this series of specifications.N3 JESD51-1, Integrated Circuit Thermal Measurement Method - Electrical Test MethodN4 JESD51-4, Thermal Test Chip Guideline （Wire Bond Type Chip） N5 JESD51-12, Guidelines for Reporting

10、andUsing Electronic Package Thermal InformationMoulded Plastic PackagesN7 JESD51-13, Glossary of thermal measurement terms and definitions3. 專業(yè)名詞及定義本標準中的專業(yè)名詞及定義采用 N7 JESD51-13。其他的專業(yè)名詞及定義已在前文 中給出。N6 SEMI Test Method #G43-87, Test Method, Junction-to-Case ThermalResistance Measurements of4. 結殼熱阻測試（測試方

11、法）4.1 瞬態(tài)冷卻曲線測試（熱阻抗 ZJC）4.1.1結溫測試按照JESD51-1描述的方法測量待測器件（DUT結溫（TJ）,去掉加熱功率PH后采集ZJC曲線（冷卻曲線）。測試中溫度敏感參數(shù)（TSP不會受到加熱電 壓和加熱電流的影響， 也不需要控制加熱功率的大小。 這種測試方法適用于大部 分器件及熱測試芯片。在測試每個待測器件的ZJC曲線之前都要先確定其K系 數(shù)，K系數(shù)是芯片溫度與溫度敏感參數(shù)之間的關系系數(shù)。原則上不建議采用加熱曲線，但如果加熱時間內(nèi)加熱功率PH保持恒定，芯片 的溫度敏感參數(shù)不受電子干擾， 此方法同樣適用。 采用加熱曲線必須記錄結果數(shù) 據(jù)。4.1.2瞬態(tài)冷卻曲線的記錄首先給待

12、測器件（DUT施加恒定的加熱電流IH,使其加熱并達到熱穩(wěn)定狀 態(tài)，即芯片結溫保持不變。如果在加熱過程中，芯片沒有獨立的結構進行加熱和 測試以監(jiān)測敏感溫度參數(shù)，結溫可以在動態(tài)模式下監(jiān)測（見JESD51-1或者給 器件加熱足夠長的時間以使結溫達到穩(wěn)定。 測試過程中由于待測器件與水冷熱沉相接觸（見節(jié)），大多數(shù)情況下100s的加熱時間已經(jīng)足夠?？刂坪驼{(diào)整使器件 達到熱穩(wěn)態(tài)的加熱時間也可通過實驗測試完成。當器件達到熱穩(wěn)態(tài)，記錄最終的加熱電壓VH和加熱電流IH,切斷加熱電流或 者將電流切換至測試電流IM,這會產(chǎn)生一個很大的功率差 PH。通常IM相比于IH很小，可以忽略不計，測試電流IM產(chǎn)生的功率也可忽略不

13、計。但測試原理中要 求精確知道功率差PH。也就是說，器件的熱功耗若考慮了PM（由IM電流產(chǎn)生的 功耗），該方法會更準確。加熱功率差PH=FH-PM越大，測試的信噪比越大（SNR, 同時得到的熱阻（BJC）越精確。因而，在避免器件過熱情況下，加熱電流應盡可能大，同時PM應盡可能小， 不過較大的IM會減少初始時刻的電子漂移（見部分）。t=0時刻的信號可使溫度 敏感參數(shù)（TSP信號作為時間的函數(shù)從t=0開始記錄直到冷卻穩(wěn)態(tài)。采樣率應 保證每個時間段內(nèi)至少采集50個點。根據(jù)待測器件的K系數(shù)，將TSP轉(zhuǎn)換為結溫Tj（t）。圖1給出了一個冷卻曲 線的例子。切斷加熱電流，在 乙JC起始階段不可避免地會受到電

14、子干擾，因而使 得開始時刻短時間內(nèi)測得的信號無效。為了重建t=0時的結溫TJ0,需要加一個“偏移校正”，參見N1的說明。riiuiki圖1切斷加熱電流短時間內(nèi)信號受電子干擾的冷卻曲線的半對數(shù)圖4.1.3偏移校正由于在測試的初始階段有電子干擾，去掉在一定的切斷時間tcut內(nèi)記錄的信號點。這個時間段內(nèi)的溫度變化 Tj(tcut)不可忽略。在這段時間內(nèi)，Tj(tcut)與時 間的平方根近似成線性關系，這樣就可推導出t=0時的結溫TJO,如圖2所示。對于材質(zhì)均勻的半無限板(也就是一塊表面積無窮大一一保證一維熱流與該表面垂直一一和無窮厚的板)，其表面加熱功率密度恒定為PH/A(見例1),當施加或切斷加熱

15、功率時，表面溫度升高/降低與加熱/冷卻時間的平方根成線性 關系。T(t)號c,p和入分別是材料的熱容、密度和熱導率。短時間內(nèi)，硅芯片內(nèi)部可認為是一維的熱擴散，并且不受芯片底部邊界條件的影響， 所以半無限板模型適 用于芯片表面的加熱或冷卻，試驗已證明其正確性，如圖2所示。所以初始溫度(3)其中ktherm(4)t ifiurr1 IbtcriiiiniilioD ol the initiiU innctun tibniprriit-J-J -P-P疋=呂召才號1 111.11.TJO可以通過T(t)與.t的關系得到。同時，芯片的面積也可通過方程3與斜率mTj(tcut) /. tcut求出:A=

16、P，ktherm/m這種方法計算得到的芯片面積能夠驗證修正方法是否合理。4.1.4 ZeJC曲線根據(jù)冷卻曲線T(t)計算ZeJC：4.1.5備注1.瞬態(tài)熱阻抗ZJC(t)常用于表征功率半導體器件，記錄冷卻曲線的測試設 備通?？蓪崿F(xiàn)。2.如果待測器件有獨立的結構可同時加熱芯片和檢測結溫，也可以用加熱 曲線替代冷卻曲線，但是必須保證加熱時耗散功率R保持恒定，其修正方法相同， 公式6需作如下改變：ZJC(t)心(ttcut)PH(7)3.由于器件溫度像電導率和熱導率一樣與材料屬性有關，由冷卻曲線和加熱曲線分別得到的ZeJC曲線存在微小差異，同樣，計算的eJC值也不同。主要原因是加熱過程中耗散功率發(fā)生

17、微小變化，采用冷卻曲線可以避免這個問題。因此, 采用加熱曲線得到結殼熱阻時需說明這一情況。(5)Zjc(t)Tj(t)PH(ttcut)(6)4.2 熱瞬態(tài)測試界面法步驟4.2.1測試原理瞬態(tài)雙界面測試法要求對同一個半導體器件在控溫熱沉上測量兩次乙JC。第一次測量時器件與冷卻臺（熱沉）直接接觸（干接觸），第二次測量時器件與熱沉之間涂一層很薄的導熱膠或油脂，如圖3所示。第一次測量時，由于器件與熱沉之間的接觸面有一定的粗糙度，使得接觸熱阻增大，所以在某一時刻ts開始乙JC曲線存在明顯的分離，如圖4所示。由于熱流進入熱界面層時，兩條 乙JC曲線就開始分離，因此 乙JC（ts）在該點的值接近于方程1定

18、義的穩(wěn)態(tài)熱阻0JC。通過乙JC曲線分裂點可以估算得到0JC.4.2.2控溫熱沉待測器件應放置在控溫熱沉上， 這樣器件的主要散熱面（這里指外殼） 就與Device under Test(h)h匸rmzl grease mroilFigure J TD1Figmv 4 Ziuc於“戶巧fnr ai TO-263itkriisiiiTd %ith ( I) uriil illumt (2) llnriml此I*汕“A t thr intvrRM * bet Mi 11厲Jml熱沉表面接觸。為了達到理想的冷卻效果，熱沉應良好導熱，所以熱沉必須由銅塊組成，冷卻液體（通常為水）通入銅塊中的鉆孔來維持恒溫。

19、通冷卻液的孔離 上表面的距離最大不能超過2mm同時， 用一個恒溫器控制液體溫度， 測量并在 結果中記錄液體或冷卻板的溫度。給熱沉上方的待測器件施加一個適量的壓力來固定器件，這個壓力應足夠大以保證器件外殼與熱沉良好地熱接觸。但是，壓力過大會阻礙兩條乙JC曲線分離，這樣就很難甚至不能估算器件的結殼熱阻。壓力過大使曲線不分離也會對9JC造成不期望的影響因此這個壓力應控制在 10N/cm2 內(nèi)，例如可以通過彈簧實現(xiàn)。為了使從被測器件上表面散發(fā)出的熱達到最小，應使用熱導率小于（mK）的塑料做夾桿，夾桿至少5mn厚。圖5是一個典型的熱沉裝置。423干接觸Z9JC曲線的測量第一步：認真清潔器件與熱沉的接觸面

20、，避免之前測試時殘留在器件與熱沉表面的導熱膠或油脂以及任何微小粒子影響接觸熱阻， 確保實驗可進行重復性測量；第二步：參照將待測器件安裝在控溫熱沉上，接觸面之間不加任何導熱物質(zhì);第三步：參照測量ZeJC曲線;測出的ZeJC曲線記為 乙JC14.2.4加導熱膠或油脂的ZeJC曲線測量除第二步與不同，其他步驟相同：第二步： 將待測器件安裝在控溫熱沉上， 在待測器件與熱沉之間加一層很薄 的導熱膠或油脂，確保覆蓋整個接觸面。therviiMlC u col d plaleTheririall、inNuhtinco n ta el blsekClamping IbrccDevice Under TMI匚工

21、n呷k: TO puckQicChipL-ftwhDk ailiicti rikkrr irFWK1氐ed die皿dFigure 5 Scliiriatic nf * tj pica iold-pl.a.ti1會l-up此時測出來的ZOJC曲線記為ZeJC2。425兩Zejc曲線達到穩(wěn)態(tài)后的最小差值最小差值？e=Zejci-ZeJC2W,如圖1所示。從經(jīng)驗上講， 兩曲線的差值越小就很難甚至不能找出分離點。 這一差值應比 分離點的分散度大很多。4.2.6備注傳統(tǒng)的結殼熱阻eJC測試中，在冷卻板安裝待測器件的位置上鉆個孔置 入熱電偶。這種冷卻板不能用于本標準的測試，除非在安裝位置上將鉆孔去除。

22、否則，冷卻板中的孔會影響到封裝半導體內(nèi)部的熱流分布， 進而影響結殼熱阻測5 熱瞬態(tài)測試界面法的計算5.1 初步評估Zejci和ZeJC2兩曲線在分離點的值ZeJc(ts)不一定等于穩(wěn)態(tài)時的結殼熱阻BJC(方程1定義的熱阻)，原因是在穩(wěn)態(tài)時(需要很長時間)和在瞬態(tài)ts時器件內(nèi) 部的熱流分布不一樣。對于高熱導率芯片粘結層的功率器件， 乙JC(ts)值十分接近穩(wěn)態(tài)的結殼熱 阻，可作為eJC的一種可靠測量手段。通過有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，預期的誤差比eJC的定義方程1的內(nèi)在不確定因素還要小。如果半導體器件的粘結層(例如熱導率低的膠)阻礙熱流傳導，兩條ZeJc曲線就會“過早”分離，也就是 乙jc(ts)n?

23、 ula elue dk utMch device, CEatht aHikubhivcihrnkftl CApttchiMKC ulongthe heat41ow卩汎h.基于上述討論，計算方法的選擇如下：1.對于高熱導率粘結層（如焊料）的功率半導體器件：使用方法1：由乙JC1和乙JC2曲線的分離點計算（見）。2.對于低熱導率粘結層（通常為膠）的功率半導體器件：使用方法2:由相應的結構函數(shù)分離點計算（見）3.功率半導體器件的粘結層材料未知時：綜合兩種方法，取其中較高的熱阻值作為9JC值結構函數(shù)法原則上適用于一維傳熱路徑下（不考慮芯片粘結層）的所有器件,實際上，當9JC很小時，結構函數(shù)法失效3。

24、因此，這兩種計算方法在一定范h、ibcrmiJ.V|UWfll.hl；ElkWo對于結殼熱阻很?。˙JCV1K/W的器件，方法2通常不可用，而方法1更可靠。5.2 方法 1:以 Zejc曲線分離點計算0JC適用于高熱導率粘結層（如焊料）的半導體器件（見）5.2.1確定分離點嚴格來講，Zjc曲線分離點不能很精確的確定，但是在一定時間后曲線間的 間隙逐漸變寬（如圖7）。因此，更精確確定在時間ts的分離點至關重要。用ZBJCI和ZBJC2的微分曲線替代原始曲線有以下幾個優(yōu)點：1.ZBJC微分曲線的分離點通常比原始曲線更容易確定；2.修正方法（）中潛在的誤差對微分曲線的分離點沒有影響?；谝陨蟽?yōu)點，應

25、用乙JC的微分曲線確定分離點。設時間對數(shù)為z=ln（t），a（z）表示ZBJC曲線關于z的函數(shù)，則有a(z)= Z0JC(t=exp(z)z=ln(t)(8)imu |Fieurc 7 - niflfereiirc老葉、-乙和of the tiv* TD1 cunpcs fr om Figure圖11表示t到z的變量轉(zhuǎn)換，a（z）是ZBJC（t）在對數(shù)時間坐標下的圖da/dz是ZeJC曲線在對數(shù)時間坐標下的斜率，dadz和da2/dz分別是曲線ZeJCI和ZeJC2Time |& 越uup H (a) DcrlvMtlwHi d/dr ami d嚀tk oF tlit two Zim

26、-cun JFlgiiiv 4uiid (b tJuii* difTrrtncr d;) 1旳皿二Fijjiirf 9 Frnminldrd dittrcnce $= (dlnir d-f - dn1 *d/) phtted口卻innt tlw Z*j4-vdlue nf tlirIhrmiul girriwir r nil rime兀逵加This riinte in rtfri iTil tn hrrliii昭t兩條乙JC曲線在穩(wěn)態(tài)的距離&也會影響到微分曲線的差值(da/dz)= dai/dz-da2/dz。為了將這一影響減至最小，將(da/dz)除以相應-d.ic a.s一出聲幺一

27、勺電0.30.2 -0.1-0.1000001 QQCQ1 OOQ1 0,01Q.111010Q0 4Zejr |K W)的&使其歸一化。歸一化后的差值曲線以乙JC2(t)(含導熱膠的曲線)的值為橫坐標，如圖9所示，這樣就可以從圖中直接得到eJC：解釋：分離點的時間ts是3（乙JC2（ts）的值在小于或等于&時相對應的 最大時間點。結論：結殼熱阻9JC是在分離點處 乙JC2（ts）的值，從圖9可以看出，Z9JC2（ts）的值是3小于或等于時的最大值。5.2.2怎樣選擇值上述定義的熱阻9JC值是關于的函數(shù)。為了與傳統(tǒng)結殼熱阻的定義保持 一致，的取值應使9JC盡可能接近公式2中定義

28、的穩(wěn)態(tài)熱阻。由于半導體器件 的實際穩(wěn)態(tài)熱阻9JC是一個未知數(shù)（沒有有效的方法測出其精確值），需通過有 限元仿真的方法來確定值。有限元仿真3揭示了 與芯片尺寸及其引線框架幾何形狀有關。作為一個 普遍趨勢，9JC小的器件值較小，反之值較大。Figure 10 Gjf in thenV the inter&ectmo of & and ciiin p根據(jù)不同芯片尺寸及其引線框架幾何形狀的有限元模擬，下式可計算：=K9JC+（10）結殼熱阻9JC是3-曲線與-曲線相交點的橫坐標值，如圖10所示。為了 避免3-曲線的隨機波動造成錯誤的結果，用一條近似的擬合曲線代替它，例如, 擬合成指數(shù)曲

29、線(11)rig a re LI CoinpintatioB of the dtrhatHt dltf/cL：from a measiirecl Zli：-curpeexX ?ZjJ利用參數(shù)a和B使0JC附近區(qū)域的擬合曲線最優(yōu)化。(見，第四步)523評估的詳細步驟假定在第4章節(jié)描述的干接觸及帶膠接觸的Z0JC曲線已測量。按照以下步驟計算結殼熱阻：第一步：將測試中的時間坐標(ti,.,tn)轉(zhuǎn)換為對數(shù)時間坐標(Zi=ln(ti)，最小(最大)對數(shù)時間坐標值記為Zmin(Zma).(11)rig a re LI CoinpintatioB of the dtrhatHt dltf/cL：from

30、a measiirecl Zli：-curpeTlw derhimc 竝七 of ths curt E! o( r iibe HppmMimuccdby t he- slnpe JWAr of hcsl fic tfraightrtirrnigh rHp met 鮭 unng poitrEKjamund 弓.第二步：計算微分曲線da1/dz和da2/dz。將測量點進行分段線性插值計算 可以求得，如圖11所示。為了求出da1/dz和da2/dz的差值，必須對兩條微分曲 線在相同的橫坐標范圍內(nèi)進行求解，這些坐標值在zmin,zmax區(qū)間內(nèi)等間距分布， 并且插入的點數(shù)不少于100個。ZeJC-曲線在

31、插值點處的值a(Zj)也可用相同的分段線性插值求出第三步：計算歸一化的差值S=(dai/dz-da2/dz)/&,以 乙JC2(t)(含 導熱膠的曲線)的值為橫坐標繪出S曲線，如圖10所示；第四步：用指數(shù)函數(shù)ZJC?exp( ?ZJC)擬合$曲線，使得擬合曲線 與S曲線在0,x區(qū)間內(nèi)圍住的面積最小。區(qū)間右極限x的選取應使S-曲線的 上升部分可以被正確地擬合。第五步：通過s-曲線與c-曲線(方程10)的相交點求出結殼熱阻eJC。5.3 方法 2：結構函數(shù)法適用于低熱導率粘結層(通常為膠)的半導體器件。(見)5.3.1初步評估熱流路徑上的積分結構函數(shù)Ce,(Re,)即：積分熱容Ce,關于從

32、結點開始 沿熱流路徑的積分熱阻R。，的函數(shù)，如果熱流路徑基本上是一維的，比如包含有 助于散熱的金屬塊或芯片焊盤的半導體器件，結構函數(shù)法能夠給出相關的熱流路 徑圖，從圖中可識別器件部分物理結構的熱阻。因此兩次測量的結構函數(shù)曲線在 熱流路徑發(fā)生變化的地方 (即待測器件的外殼表面)開始分離。 積分結構函數(shù)的 分離點就是eJC值，如圖6所示?？捎脤I(yè)軟件處理Zejc-曲線得到結構函數(shù)， 例如， 本文提供的TDIM-MASTER4處理過程包括幾個步驟(見附件A-C)。這里先簡單的介紹下， 首先，通過數(shù)值反卷積法計算時間常數(shù)譜R(z)。假定z表示對數(shù)時間z=ln(t),a(z)為z的單位階躍響應函數(shù)(見，

33、貝U有w(z)=exp(z-exp(z)也就是時間常數(shù)譜R(z)是通過da(z)/dz與w(z)的反卷積計算求得。 通過時間常 數(shù)譜R(z)的離散化可以得到等效的Foster RC熱網(wǎng)絡模型，然后將它轉(zhuǎn)換成Cauer RC網(wǎng)絡模型。Cauer模型中的積分熱容-積分熱阻圖近似于積分結構函數(shù)。 時間常數(shù)譜離散化越精細，則RC模型的階數(shù)越多，得到的積分結構函數(shù)越好。從數(shù)值角度來看， 反卷積問題至關重要。 數(shù)值方法對輸入數(shù)據(jù)中的噪聲極其 敏感，因此測量時高的信噪比至關重要。由于反卷積計算法的分辨率有限，得到 的結構函數(shù)與乙JC-曲線不能完全匹配5。反卷積計算法的有限分辨率對粘結層為膠的器件影響較小，因

34、為9JC很大，并且結構函數(shù)計算的誤差幾乎與9JC3無關。因此對于粘結層為膠的器件，其誤差更小。而對于9JC很小的器件，積分結構函數(shù)分析法常因數(shù)值效應(如模糊 的或虛假峰)的干擾而失效(圖13)。5.3.2評估的詳細步驟假定在第4章節(jié)描述的干接觸及帶膠接觸的Z9JC曲線已測量。按照以下步驟 計算結殼熱阻：第一步：運用專業(yè)軟件將 乙JC1和乙JC2的Z9JC-曲線轉(zhuǎn)換為相應的積分結構函 數(shù)C9,1和C9,24。為了得到更好的測量結果，必須有高的信噪比；第二步：在相同Re.范圍內(nèi)對兩個結構函數(shù)進行插值計算，求得差值Ces=Ces2-Cex10(圖12)；第三步：差值Ces明顯上升點為結殼熱阻9JC0

35、如果虛假峰點使得9JC難以確定，測量中對器件施加更大的耗散功率提高信噪比SNR；da/dz=R(z)w(z)(12)其中6 信息報告所有測試條件和數(shù)據(jù)計算方法的信息以及測得的結殼熱阻，都要完整地記錄；參考表1提供的相關熱學數(shù)據(jù)信息。沒有熱學數(shù)據(jù)和說明這些信息的報告是 毫無意義的。表1報告需給出的熱相關數(shù)據(jù)及信息測量區(qū)域條件參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)和結果器件標識器件標識測量的數(shù)據(jù)器件結構參考相關文件參考相關文件II|Urr 12 nifTr簾w整ofiln? tuniiiplHrliiiV vriM iui fiirictibinIIIIWHin F陀mrv%FiEiirr 13 WifTrr*BVir A

36、jfcH|ffh* i iuriiiJMlhrhiiicfiim* fiir w kr Hh Kiimll O.h -環(huán)境冷卻板TCP或者TFliuidC可選：材料、結構、孔離上表面厚度、粘結膠、壓 力測量方法加熱法例如，基底二極管TSP（溫度敏感參二極管電壓數(shù)）冷卻/加熱曲線測試過程PH加載功耗IM測試電流Zjc1,ZeJC2乙JC-曲線數(shù)據(jù)計算修正tcut,Tj(tcut)計算方法1或21:da/dz或者2:分離距離 Ce刀7 參考文獻7.1 附件 A 時間常數(shù)譜和積分結構函數(shù)的定義.、八、-刖言在過去10年里，人們對半導體封裝的動態(tài)熱性能引入了一個新的表述：結構函數(shù)A1。附件主要作用是準

37、確定義結構函數(shù)， 并對標準可能實現(xiàn)的更多的要求給出它的主要特性。由于結構函數(shù)與RC網(wǎng)絡理論及其含義密切相關，因此引進時間常數(shù)概念，“canonic”代表RC網(wǎng)絡單端口，在結構函數(shù)中代表時間常數(shù)譜。這里定義的RC網(wǎng)絡具有以下特征：1.網(wǎng)絡是線性和無源的;2.驅(qū)動點行為已知；3.假定熱流基本上是一維的條件說明如下：線性意味著熱阻與熱容獨立于其自身的溫度。 換句話說： 熱導率和熱容都是 與溫度無關的常數(shù)。準確地說，這個理論條件實際上并不成立， 但在實際問題中 可作為合理的近似。驅(qū)動點的意思是對結構中同一位置加熱并測量它的溫度響應。一維熱流： 除了縱向熱流外，還包括更復雜的熱擴散， 這些熱擴散通過一些

38、 坐標系變換可等效為迪卡爾坐標系中的縱向熱流。這包括圓盤結構中的徑向擴 散，如功率LED的MCPC或JEDEC測試板，圓柱形熱擴散或錐形熱擴散。半導體 器件封裝通常多個域依次連接在一起， 并具有如上描述的散熱特性， 其熱流路徑 可認為是一維的，只有熱流路徑的分離存在問題。 當分離點與主驅(qū)動點以及寄 生熱流路徑一致， 并且寄生路徑的總熱阻已知時， 將可能消除結構函數(shù)中寄生路 徑的影響A11。盡管由于不知道寄生熱阻的值或者分離點不同于驅(qū)動點而不能 修正，依然能導出一個等效的物理結構， 但是這個物理結構與實際的物理結構不 相符。熱時間常數(shù)的概念為了介紹時間常數(shù)概念， 首先看一個例子， 假設一個小正立

39、方體， 四周絕熱， 將它和一個理想的熱沉相接觸。 在其上表面施加一個單位的功率并均勻地分布在 表面上，如圖A-1左圖所示。這個簡單的熱模型就是一個一階RC網(wǎng)絡模型，如圖A-1右圖所示。這可以看作一個簡單的半導體封裝器件的近似熱模型Fljfurt A-l Therm nJ modd of u cube wlfli 1 crMMeedjMAlMFCHof A mid a lenclh uf AL made of豐MK悴科nl with thcriTiii)i eondticthiNy *f 1 umdi n ?*pifSc lirjil f離瑞，Hct-slnkFigure A-2一A singl

40、e limt-conslant RC moditl在最簡單的封裝熱模型中，含有一個熱阻和一個熱容。這兩個因素是并聯(lián)連接，如圖A-2所示。假如給這個模型施加PH的功率，溫度將以指數(shù)形式上升:其中Rth?Cth（A2）式A2為模型的時間常數(shù)。這個模型由 時間常數(shù)及Rh值來描述其大小，如圖A-3所示：Ttip surfaceof Eh#MgT(t)exp( t/ )j /wrfiics、MwngisndLUEpCWr (ferity &fthg top WftlCffAmbierit: Meat heabsink 3f TFigure The tlieriiml time-cmmbnit l

41、YinvMntdciii of the inndtd shm n in Fimv-2器件的物理結構通常是復雜的，并且具有多個時間常數(shù)。因此，以指數(shù)函數(shù)之和表示器件的溫度響應會更精確：nT(t)PH?Rthi?1 exp( t/i)i 1n對Fk-Ti的值可表征器件的結構。將這些數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡模型相聯(lián)系，如圖A-4所示。每對Rhi-Cthi(Cthi=Ti/Rthi)對應方程A3中的一組。這一網(wǎng)絡模型結 構是FOSTERS絡的標準形式。Rh-Ti值可用圖形表示，如圖A-5所示。線條的橫坐標值代表時間常數(shù)，縱 坐標值代表Rh的大小。下圖可視為一個離散頻譜，該譜給出了網(wǎng)絡的響應時間 常數(shù)和對應的幅值。這

42、可能使人誤以為FOSTERS絡模型中的熱阻、熱容對應于實際的不同物理結構。但FOSTERS絡模型包含節(jié)點至節(jié)點的熱容，它沒有物理意義，與實際的物理結構不相符。RC單端口網(wǎng)絡存在一個等效的模型一CAUE網(wǎng)絡。CAUE模型是一個梯形網(wǎng)絡，如圖A-6所示，這一模型的網(wǎng)絡單元能與物理區(qū)域很好地對應 起來。CAUER模型是結構函數(shù)分析熱流路徑的基礎(A3)Figure A-4 An n-stage F)S JI.l-t type R netwwk model of a thermal iiiipedaiicrFigure V5 J bc time-nwUiHit lYprcsfnhti jtm iw n

43、-stiigc F( (JSTIKK ty|* tjrtvnj-kinHgurc 4FigutfvlpAruim-iiT W號胡ui曲the di terete HmoYo叭arercplcttl h、fhr R|j) 1imc-cpii%tdit spccfruinFOSTER模型和CAUE模型的RC端口是等效的。兩者都是以最少組件描述給定電路行為的最簡網(wǎng)絡。這兩個模型可以相互轉(zhuǎn)換，具體轉(zhuǎn)換的算法見附件Co假設施加功耗PH=1W溫度響應函數(shù)(Zth曲線)即為單位階躍響應，用a(t)表示:na(t)Rthi?1 exp( t/i)i 1對于一個實際的離散RC系統(tǒng)-例如熱系統(tǒng)-研究的階數(shù)是無限的

44、，離散的熱 時間常數(shù)值被連續(xù)的熱時間常數(shù)譜替換(見圖A-7)，同時用積分公式描述單位 階躍函數(shù)響應函數(shù)來替換總和。a(t) R( )?1 exp( t/ )d(A5)0R(T)為時間常數(shù)譜。熱阻抗的頻域表示熱阻抗可以通過并聯(lián)的Rh與1/sCth容阻抗(圖A-2與圖A-3)來計算。也可 用時間常數(shù)表(A4)Fifiurf* A-10 The cumulative ifructure runction and the CAlER Iwddrr moddM ( ) V( )?W()(B7)這個公式可以證明(見參考文獻A1和A7)單位階躍熱響應函數(shù)a(z)與時間常數(shù)譜R：)之間的關系(B2)wz(z)

45、 exo z exp( z)由此式A5為式B4右邊可用卷積積分10實現(xiàn)，用符號表示卷積運算，單位階躍熱響應與熱時間常數(shù)譜的關系可用下式表示：a(z) (z) Wz(z)(B5)dz固定(z)函數(shù)(見公式B3)，a(z)函數(shù)(Zth曲線)能夠通過測量得到，因此 熱時間常數(shù)譜R(z)可以利用反卷積運算求得。計算公式如下：d1?R(z) a(z) Wz(z)(B6)dz符號1代表反卷積運算。各種反卷積算法已成功應用于這一運算中，其中有貝氏反卷積和傅里葉反卷 積，傅里葉反d-a(z)dzR()exp(z0exp(z)d(B3)-d-a(z)dzR( )?wz(z )d0(B4)M ( ) V( )?W

46、()(B7)卷積也稱為頻域反卷積，在此將詳細介紹這種算法。對方程B5兩邊進行傅里葉變換可得：為廣義頻率、da/dz,R(z)和w(z)的傅里葉轉(zhuǎn)換分別為M( ),V()和W()。值得注意的是不是通常意義上的頻率，因為A10方程中的變量z表示的不是時間，而是對數(shù)時間應用傅里葉卷積方程B5變成一個簡單的乘法。通過以上變換，時間常數(shù)譜R(z)的計算就相當簡單：首先計算V)=M( )/W()，然后轉(zhuǎn)換V)至z域:R(z)=F-1(V()。實際上并不是那么簡單。因為總有噪聲n(z)疊加在信號da/dz上, “測量”的信號m*(z)如下：*dam (z)n(z)(B8)dz即使Zth曲線是通過仿真得到，由

47、于數(shù)字的有限長數(shù)值表示引起的量化誤差，使得系統(tǒng)中存在不可忽略的噪聲成分。因此，含噪聲的信號m(z)的傅里葉轉(zhuǎn)換為M*( ) M( ) N( ) V*( )?W( )(B9)N()是n(z)的傅里葉轉(zhuǎn)換，則有(B10)W()的高頻成分非常少，而噪聲譜中主要是高頻成分。因此，方程B10中分式N( )/W()越大，V*()中的噪聲越大。圖B-1給出了從測量功率譜IM*()I中2獲得功率譜IW()I2的一個例子。IW()I2在高頻以后迅速 消失，而IM*()I2的噪聲成分在高頻后依然保持在一個常值附近波動。假如 不減小v*()中的噪聲，反變換F-1(V*()將得不到理想的時間常數(shù)譜。因此，進行反變換前有必要在方程V=)M ()/W()中引入一個濾波函數(shù)F():V( ) V*( )?F( ) M*( )?F( )/W()這個濾波器不會改變M()中的低頻成分，而且可以極大地減少高頻中的噪聲成分，也就是當、 時，F(xiàn)()1,而、 時，F(xiàn)()0。參數(shù)0)0)0稱為濾波帶寬。F()由