如何用T3Ster测试IC的热特性

近期不少客户咨询，如何测试封装IC类样品的热特性，以及结温与封装热阻的测量。在本文中，将结合集成电路热测试标准和载板设计标准向大家介绍如何用T3Ster瞬态热阻测试仪测试IC产品的热特性。

介绍

随着电子产业的蓬勃发展，电子组件的发展趋势朝向高功能、高复杂性、大量生产及低成本的方向。组件的发热密度提升，伴随产生的发热问题也越来越严重，而产生的直接结果就是产品可靠度降低，因而热管理相关技术的发展也越来越重要。电子组件热管理技术中最常用也是重要的评量参考是热阻，对于IC 封装产品，最重要的参数是由芯片热源到固定位置的热阻，其定义为：

热阻值一般常用 θ或是 R 表示，其中 Tj 指芯片热源的结温，Tx 为热传到某点位置的温度，P 为发热功率。热阻大表示热量不容易传递，散热效果差，因此器件工作时产生的温度就比较高，产品可靠性下降。电子系统产品设计时，为了预测及分析组件的温度，需要使用热阻值的数据，因而设计人员除了需提供良好散热设计，更需提供可靠的热阻。 最常见的热阻参数：RJA（结到环境热阻），RJC（结到壳热阻）和RJB（结到板热阻）。当知道参考温度（环境、箱子、板），功耗以及相关的热阻值时，即可计算结温。当封装的IC直接安装到PCB或散热器的高导热封装时，RJC就非常重要，RJB则表示了IC到PCB板的散热热阻。而RJA通常需要在JESD51-2A中规定的热阻测试环境中测试。

JESD51-2A的热阻测试环境：（标准静止空气箱）。

图一：标准静止空气箱

Rthj-bottom表示结到塑封料底面(case bottom)的热阻，不含金属焊料表面。

Rthj-board表示结到PCB板背面的热阻。遵循的标准JEDEC51-14一维传热路径双界面分离法。

Rthjt表示结到器件塑封料顶部（top）的热阻。遵循的标准JEDEC51-14一维传热路径双界面分离法。

Rthja表示结到环境（air）的热阻，遵循的标准JEDEC51-2集成电路自然对流热测试环境要求及测试方法。  

图二：热阻参数定义

IC热阻测量方法

由于一般 IC 封装时芯片发热区会被封装材料覆盖，无法直接测量芯片工作时的温度，因此热阻量测所采用的方式一般是利用电性特性来量测，即JEDEC标准中的ETM电压法测量。

图三：JEDEC JESD 51半导体热测试标准

例如芯片上的二极管或晶体管的温度及电压特性，由于导通时正向压降和温度会呈线性关系，因此可用来作为温度敏感参数(Temperature Sensitive parameter)。

图四：电压法测试结温原理

T3Ster作为一款先进的半导体器件封装热特性测试仪器，能帮助用户在数分钟内获取各类封装的热特性数据。它能够通过电压法精确测量IC器件的结温和封装热阻，然而IC的内部电路十分复杂，不像分立器件可以直接对其二极管特性进行测量，我们需要找到其电压特性来进行热测试。一般而言，对于CMOS工艺的IC，我们可用其体二极管作为热源进行热测试。

图五：COMS结构测试其体二极管

当不满足这种测试方式时，可采用热测试芯片（thermal test chip）来进行封装的热阻测量。热测试芯片是为了提供统一的加热结构(如电阻或有源器件)而专门设计的，包括一个或多个小的、规律性排布的温度感应二极管。加热结构必须占芯片总面积的85%以上。电阻可以设计为单一单元或者两个或多个隔离的电阻器一起，但总面积必须满足此覆盖率要求。通常会优选后一种结构，因为它可以在设置加热源时提供更大的灵活性。如果芯片中包含有单个二极管，则通常会放在芯片的中心。

图六：典型的热测试芯片原理图及测试连接

热阻测试载板

当一个IC样品满足了电压法测量条件后，为了便于接线和操作，以及确保测试结果的可靠性和可比性，需要制作标准测试载板，标准测试载板可帮助工程师评估器件的热性能，确定适当的散热措施和设计参数，提高IC器件的可靠性和性能。

载板设计标准JESD51-7和JESD51-9对测试载板的尺寸、材料和表面处理等方面都作出了严格的要求，这些要求可以更好地控制测试条件，从而减少测试误差。

图七：典型的热阻测试载板1

图八：典型的热阻测试载板2

当标准测试载板制作完成后，将IC焊接在标准测试载板上，就可以用T3Ster测量其热特性。

图九：贝思科尔实验室T3Ster实测IC样品

图十：T3Ster记录样品的瞬态温度响应

图十一：通过数据处理得到样品的Rja值

总结

利用T3Ster测试IC样品的热特性，我们首先需确定其电压特性，通过芯片的反向二极管、衬底二极管或者是制作热测试芯片等方式实现，再将芯片焊接在标准的测试载板上，才能对样品进行测量。

贝思科尔（BasiCAE），专注于为国内高科技电子、半导体、通信等行业提供先进的电子设计自动化（EDA）、工程仿真分析（CAE）、半导体器件热阻（Rth）及功率循环（Power Cycling）热可靠性测试，以及研发数据信息化管理的解决方案和产品服务。

审核编辑：汤梓红