热阻测试原理与失效分析

摘要：文中通过热阻的测试原理分析和实际案例，分别从热阻测试条件、控制限、上芯空洞、倾斜、芯片内阻等几个方面，全面地阐述对热阻测试结果的影响，并通过数据统计形成图表，较为直观明了，总结出热阻测试失效的各种可能原因。
关键词：热阻；功率电流；测量电流；锡层厚度

    随着电子行业的不断发展，半导体分立器件的功率越来越大，使得产品的耗散功率增大。同时由于成本控制的原因，芯片和成品的尺寸都在不断的缩小，在一定程度上又限制了产品的散热。这就造成了产品存测试过程中，经常发生热阻不良。本文重点闸述了热阻测试原理和各类失效模式，并结合实际案例进行了详细的分析。

1 热阻概念及测试原理
1．1 热阻概念及作用
    热阻是依据半导体器件PN结在指定电流下两端的电压随温度变化而变化为测试原理，来测试功率半导体器件的热稳定性或封装等的散热特性，通过给被测功率器件施加指定功率、指定时间PN结两端的电压变化(△VBE／△VF／△VGK／△VT／△VDS)作为被测器件的散热判据。并与指定规范值比较，根据测试结果进行筛选，将散热性差的产品筛选掉，避免散热性差的产品在应用过程中，因温升过高导致失效。各类产品的热阻名称见表1。

1．2 热阻测试原理
    热阻测试仪配有接触检测和震荡探测功能，以防止接触不良和震荡造成的温度测量错误，提高了测试仪的稳定性。测试仪提供手动和自动测试，可测量瞬态热阻，存恒温槽的配合下，也可测量功率器件的稳态热阻，通过输入一个温度系数到测试仪，也可显示结点升高的温度。
    下面以NXP双向可控硅BT137—600产品为例，详细说明热阻测试原理。
    双向品闸管需要测试笫一象限△VT1和第三象限△VT3，测试条件相同，如表2所示。

    其中，IF：施加功率电流；IG：门极触发电流；IM：测最电流；PT：施加功率时间；DT：冷却时间：LOWER LIMIT：规范下限；UPPER
LIMIT：规范上限。
    测试电路如图1所示，测试时序如图2所示。

2 热阻失效分析
2．1 产品截面图
    产品截面如图3所示。从产品截面图中，标识的散热主要方向是从芯片发热区，经过上芯锡层，再通过框架载芯板／散热板，散发到测试环境中。

2．2 热阻测试预判断失效
    热阻测试前的预判断测试项目IF>50 A、IG>500 mA、VT1>4 V、VT<0．1 V发生失效，实际上并不是真实的热阻失效，而是产品开短路或漏电过大或测试设备不良导致的。所以，这一类失效，此时并不需要分析热阻，而是要分析测试设备是否有问题，产品是否开短路或漏电。
2．3 热阻低于规范值
    真正的热阻测试失效有两种情况，一类是低于规范值、一类是高于规范值。热阻测试规范中设置下限，实际足为了防止混管，实际上，热阻越小越好，所以当热阻低于规范值时，只需要确认是否混管或误测，如果鄙不是，可以直接放宽规范下限或取消规范下限，将不良品复测即可。
2．4 热阻测试高于规范值
    热阻高于规范值失效，目前，已知可能的原因有以下几种：
    ①上芯空洞超标、结合不良；
    ②锡层厚度偏厚、倾斜；
    ③芯片内阻大；
    ④测试规范上限设置过于严格；
    ⑤测试条件设置不合理；
    (1)空洞超标、结合不良
    空洞超标、结合不良会导致热阻偏大，是由于空气的导热系数远小于锡。空气在标准标准状态下的导热系数是0．0244 W／(m．k)，而锡的导热系数是67 W／(m．k)，相差近3000倍。所以空洞对热阻的影响是非常大的，远大于锡层偏厚或倾斜的影响。热阻分布如图4所示。

    (2)锡层厚度偏厚、倾斜
     锡层厚度偏厚或倾斜，增加了热传导的距离，一定程度上使产品温度上升较快，导致热阻偏大，但其影响远低于空洞或产品自身内阻增加造成的热阻偏大。热阻分布如图5所示。

    (3)芯片内阻偏大
    当芯片内阻偏大时，产生的热量会明显增加，导致产品温度上升，热阻增加。热阻分布如图6所示。

    (4)测试规范上限设置过于严格
    如果热阻测试规范上限设置过于严格，热阻典型值基本全部集中在测试规范的上限附近，当芯片内阻稍偏大或锡层稍偏上限，或空洞稍偏大(但全部在控制规范内)，热阻就会偏大超标。其热阻分布如图7所示。

    (5)测试条件设置不合适
    当热阻测试条件设置不合适时，例如：IM过于临界，产品出现一点波动时，热阻可能会出现“虚高”。通过调整IM参数，“虚高”的产品和正常产品，用调整后的程序测试，会得到基本一致的热阻值。数据如表3所示，其热阻分布如图8所示。

    (6)测试环境
    如果测试环境的温度较高，或散热能力差，会影响到产品的散热。所以当产品热阻测试失效时，首先要确认测试环境是否存正常的测试规范内，然后冉进行其他方面的进一步分析。
    (7)锡层厚度、倾斜度对热阻的影响程度

    取T0—220产品BT137—600调试不同的锡层，同时保证空洞一致，测试空洞是在0．2％～0．6％之间，然后一对一测试热阻。热阻测试值随锡层厚度增加而升高，但升高幅度很小，和锡层倾斜度(在40um以内)关系不大(见图9)。锡层厚度的影响如图10所示。

3 结束语
    本文阐述了热阻的概念、测试原理、大效模式及对应的原因分析，同时将各类失效模式，利用SPC技术，转换成图表，更加清晰明了。