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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
Thermal resistance test principle and failure analysis
LIU Xun, LI Jian-hui
（Shantou Hua Shan Electronics Company Limited, 515041）
Abstract: In this paper, the thermal analysis on testing principle and actual cases, respectively, from the thermal resistance test conditions, control limit, upper core hole, tilt, chip resistance and so on several aspects, elaborated its thermal resistance test results influence, and through data statistics form chart, more intuitive and clear, summed up the failure of the various thermal resistance test possible causes.
Keywords: thermal resistance; power current; current measurement; the thickness of tin coating
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。这就造成了产品在测试过程中，经常发生热阻不良。本文重点阐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，在恒温槽的配合下，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。
双向晶闸管需要测试第一象限△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：测量电流；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，实际是为了防止混管，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，如果都不是，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在正常的测试规范内，然后再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TO-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、失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。
参考文献
[1] 《半导体器件工艺原理》，出版单位：辽宁大学.
[2] 《芯片制造-半导体工艺制程实用教程》，出版单位：电子工业出版社.
[3] 《QA3T320A热阻测试系统技术规范》，出版单位：绍兴宏邦电子科技有限公司.
作者简介
刘驯(1960-)，女，汉族。毕业于汕头职工业余大学，工业自动化专业，现为汕头华汕电子器件有限公司生产管理部工程师，主要研究方向为半导体封装技术。
李建辉(1979- )，男，汉族。毕业于辽宁大学，学士学位，电子科学与技术专业，主要方向是半导体器件工艺。
关键词：热阻；功率电流；测量电流；锡层厚度
Thermal resistance test principle and failure analysis
LIU Xun, LI Jian-hui
（Shantou Hua Shan Electronics Company Limited, 515041）
Abstract: In this paper, the thermal analysis on testing principle and actual cases, respectively, from the thermal resistance test conditions, control limit, upper core hole, tilt, chip resistance and so on several aspects, elaborated its thermal resistance test results influence, and through data statistics form chart, more intuitive and clear, summed up the failure of the various thermal resistance test possible causes.
Keywords: thermal resistance; power current; current measurement; the thickness of tin coating
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。这就造成了产品在测试过程中，经常发生热阻不良。本文重点阐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，在恒温槽的配合下，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。
双向晶闸管需要测试第一象限△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：测量电流；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，实际是为了防止混管，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，如果都不是，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在正常的测试规范内，然后再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TO-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、失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。
参考文献
[1] 《半导体器件工艺原理》，出版单位：辽宁大学.
[2] 《芯片制造-半导体工艺制程实用教程》，出版单位：电子工业出版社.
[3] 《QA3T320A热阻测试系统技术规范》，出版单位：绍兴宏邦电子科技有限公司.
作者简介
刘驯(1960-)，女，汉族。毕业于汕头职工业余大学，工业自动化专业，现为汕头华汕电子器件有限公司生产管理部工程师，主要研究方向为半导体封装技术。
李建辉(1979- )，男，汉族。毕业于辽宁大学，学士学位，电子科学与技术专业，主要方向是半导体器件工艺。