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2017-09-30 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
芯片熱阻測量
IC 封裝的熱阻(Rjc, Rja),對于任何熱設計工程師,封裝設計及硬件工程師來說,都是非常耳熟的名詞,都期望能在規(guī)格書中找到齊全的熱阻參數(shù),并且能夠精準。可現(xiàn)實中常難于如愿,熱阻參數(shù)除了不齊全外,有的還不一定準確,這困擾著不少工程師。
關(guān)于熱阻提取,興森研究院散熱公益顧問咨詢專家劉(水靈)工提出了自己的見解:當前要準確測量芯片的熱阻并非易事,或許也是眾多芯片廠家埋在心中的一個結(jié)。目前熱阻提取方法大概有三:
1 通過熱仿真提取
2 根據(jù)Jedec標準測量
3 通過瞬態(tài)熱測試儀T3ster
下面我們看看通過T3ster 測試儀來檢測芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱阻的方法是否更為理想。我們也期待有更多的業(yè)界同仁參與探討。
首先還是讓我們了解下這個號稱熱測試中的“X射線” 神器-T3ster,一起揭開它的面紗。
一、T3ster簡介
T3ster是目前唯一滿足半導體熱阻模型測試標準的測試儀器;其開發(fā)者也是JESD51-14(半導體結(jié)殼熱阻?jc)測試方法制定者,可算是半導體熱阻測試的領(lǐng)導者。其獨創(chuàng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)分析法,能夠分析器件熱傳導路徑上每層結(jié)構(gòu)的熱學性能(熱阻和熱容參數(shù)),構(gòu)建熱學模型,是封裝工藝,可靠性試驗,材料特性以及接觸熱阻的強大支持工具,被譽為熱測試中的“X射線”;適應于IC,SOC,SIP,散熱器,熱管等熱特性測量分析。
T3ster在電子產(chǎn)品中的應用
①驗證IC芯片散熱特性
-通過測試芯片die到封裝的熱阻,判斷芯片封裝散熱特性好壞。
②非破壞性測試驗證:
-芯片廠家沒提供熱阻參數(shù)或者提供的熱阻值與產(chǎn)品應用環(huán)境不一致
-T3ster不破壞芯片結(jié)構(gòu),通過靜態(tài)熱阻測量方法,測試芯片的熱阻
-可進行老化實驗分析、失效實驗分析
③T3ster的測試結(jié)果直接導入到Flotherm軟件進行后期系統(tǒng)散熱分析
④接觸熱阻的大小與材料、接觸質(zhì)量關(guān)系密切
-芯片或散熱器的接觸熱阻有:導熱膠、導熱墊片、螺釘聯(lián)接、干接觸殼體等
-通過T3ster快速測試各種材料的接觸熱阻,驗證不同工藝的散熱效果。
⑤材料熱學性能的驗證
二、熱阻檢測案例
對3個同一批次芯片樣品進行熱瞬態(tài)測試,通過結(jié)構(gòu)函數(shù)對芯片結(jié)構(gòu)層熱特性進行對比分析。
樣品數(shù)量: 3pcs(#1,#2,#3)
器件類型: To220
測試設備: Mentor T3ster
測試地點: 興森科技&貝思科爾聯(lián)合實驗室
測試工程師:John Liu
說明:3個樣品分別放入T3ster恒溫槽里面,用同一導熱墊接觸,
導熱墊參數(shù):厚1mm,K=5.5w/m-k
測試方法:one by one ;
對#1號樣品增加一組導熱硅脂的測試,如下圖所示:
K系數(shù)是什么?
是建立結(jié)溫與電壓之間的關(guān)系。
在器件本身的自發(fā)熱可以忽略的情況下,將器件置于溫度可控的恒溫環(huán)境中,改變環(huán)境溫度,測量TSP,得到一條校準曲線。該直線斜率即為K系數(shù)。
瞬態(tài)溫度響應曲線
結(jié)構(gòu)函數(shù)是軟件后處理分析的重點。什么是結(jié)構(gòu)函數(shù)?
結(jié)構(gòu)函數(shù)是描述封裝熱流路徑上的熱阻與熱容參數(shù)。
結(jié)構(gòu)函數(shù)的獲取:通過T3ster對芯片熱相關(guān)參數(shù)的測試,得到芯片的溫度變化瞬態(tài)曲線,可以從溫度的變化曲線中通過數(shù)值變化得出其結(jié)構(gòu)函數(shù);
器件結(jié)構(gòu)示意圖
結(jié)構(gòu)函數(shù)及簡化的熱阻模型
①下圖為樣品#1采用兩個不同的TIM材料所得的結(jié)構(gòu)函數(shù);
- 我們通過分析軟件可清晰的找到了兩曲線的交叉點,此點值正是芯片的結(jié)殼熱阻。交叉點前端曲線為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層熱阻,從圖看幾乎是完全重合。由于是同一個芯片,所以理論上應該是重合的。當然假設同一個芯片工作久了在拿過來測,或許就會差別較大了,這也就是通常我們所說的芯片老化,疲勞帶來的品質(zhì)問題。
②3個樣品測試的結(jié)構(gòu)函數(shù)
從下圖可看出,#1,#2,#3三個芯片的結(jié)構(gòu)函數(shù)是不重合的,結(jié)殼熱阻也有所不同:
- 由于IC封裝里面每個結(jié)構(gòu)層的尺寸,工藝控制多少有些差異,或是焊接層空洞等多方面因素導致其各層熱阻的差異,通過同批次多數(shù)量的熱阻檢測,可以分析芯片熱管理的可靠性。
- TIM層熱阻差異主要由于每次測量時壓力不同導致。
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