專利名稱：一種測量半導體器件內部芯片熱接觸面積的方法
技術領域：
本方法適用于半導體器件的生產和應用領域，主要用于測量電學性能參 數合格的器件，其芯片或管殼等主要散熱構成的熱接觸面積，以利于熱特性 考核。
背景技術：
一個封裝后成品半導體器件(如半導體晶體管、半導體場效應管、半導 體集成電路、半導體發光管和激光器等)主要有半導體芯片、焊料和管殼組 成。見圖1。當器件工作時，熱量從芯片產生，流經焊料和管殼散向周圍環境。 熱量流經的每一部分都有一定的熱阻和熱容。當半導體器件從施加功率開始， 到穩定狀態，記錄的芯片上有源區溫度隨時間上升過程曲線，就是器件瞬態 加熱響應曲線。由于熱量流經的路程中，各部分的熱阻、熱容的貢獻不同， 在瞬態加熱響應曲線上，會出現上升的拐點，甚至臺階的出現。尤其是將時
間軸采用對數坐標后，更能分辨出上升過程的細微差別。見圖2。
發明內容
本發明的目的是提供一種測量半導體器件內部芯片熱接觸面積的方法， 可以測量出半導體內部芯片的實際熱傳導長度和實際熱接觸面積。在半導體 器件產品的檢測和質量分析方面有著重要的應用價值。
本發明的技術方案敘述如下
1、 對測量的半導體器件瞬態溫升曲線，進行微分，求出傳熱導路徑上， 主要熱時間常數；
2、 通過熱時間常數與熱阻、熱容的關系，求出該段結構的熱傳輸長度
3、 通過求出的熱時間常數，對溫升曲線進行擬合，求出與熱時間常數 對應的溫升值和熱阻值。
4、 通過熱阻與結構的傳熱長度和接觸面積的關系，求出該結構部分的 熱接觸面積。
本發明提供的一種測量半導體器件內部芯片熱接觸面積的方法，其特征 在于，包括以下步驟
1) 溫度上升的過程中，用下面公式表示-
r(O = A (1 - e-〃ri) + a2 (1 - e-'〃2) +........+ A (1 - e-〃r')
=|>(1 —,) (!)
這里的Ti是半導體器件中，流經不同部分，起主要作用的材料部分熱時間
常數；ai則是與i對應的結構部分，達到穩態后對整體溫升的貢獻；
2) 對于測量的瞬態溫升曲線；橫坐標為取對數的坐標；曲線中有2-4個臺
階，通過對該曲線求導，求出熱時間常數^
熱時間常數是與該結構部分的熱阻和熱容相關聯的，熱時間常數為
r = ^C (2)
熱阻和熱容分別為 &=^，C = C, (3)
其中L是結構的傳熱長度，S是熱接觸面積，k為熱導率，Cp為比熱，P 為密度，
公式(3)代入(2)得到長度L: z= [IHE (4)
3) 測量熱時間常數t得到器件的傳熱長度L;
4) 通過測量出的熱時間常數Ti，按照公式(1)進行擬合，求出各自對 應結構部分的溫升aj;
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中器件施加的熱功率為P，其余參數物理意義如上； 通過上述熱時間常數的測量和擬合，求出各自對應結構部分的熱接觸面 積S。200710179493.X
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本發明的發明點所在
1、 通過測量的熱時間常數T，與熱阻、熱容關系，測量出其熱傳導 長度。
2、 通過測量的熱時間常數T，對溫升曲線擬合，測量出與時間常數 T對應的溫升值，通過施加的功率P，分別得出器件構成主要部分的熱接觸 面積。
3、 如果芯片或焊料的尺寸是規則的，如上下面積一致，測量的就 是熱接觸面積，如果不是規則的，上下面積不一致，測量的結果可以視為 等效面積。
該方法，通過對半導體器件瞬態溫升過程的測量分析，可以測量出半導 體內部芯片的實際熱傳導長度和熱接觸面積。在半導體器件產品的檢測和質 量分析方面有著重要的應用價值。
圖1典型半導體器件垂直結構a:示意圖；b:熱阻熱容網絡 圖中1-半導體芯片、2-焊料，3-管殼，d-芯片及焊料熱容；CVt殼熱容、 Rrar芯片及焊料熱阻，Rra2-管殼熱阻；
圖2瞬態溫升曲線的測量及其擬合結果
圖3瞬態溫升曲線的微分結果
圖4通過擬合求解不同熱時間常數對應的溫升值
具體實施例方式
一般溫度上升的過程中，可以用下面公式表示
r《)=a (i - f〃r')+"2 (i - f )+........+^ (i - 〃"
這里的Ti是半導體器件中，流經不同部分，起主要作用的材料部分熱時間
常數。ai則是與i對應的結構部分，達到穩態后對整體溫升的貢獻。
一般常用的半導體器件中，起主要作用的結構熱時間常數主要為2~4個 參數之間。圖2是一個測量的GaAsMESFET瞬態溫升曲線實測例子。橫坐標 為取對數的坐標。曲線中出現兩個臺階，對應兩個熱時間常數。通過對該曲 線求導，求出這兩個熱時間常數Tl、 t2。見圖3。
熱時間常數是與該結構部分的熱阻和熱容相關聯的。從圖1的b可見，
時間常數為-
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
對于規則的尺寸，如圖la，熱阻和熱容分別為 <formula>formula see original document page 6</formula> (3)
L是結構的熱傳導長度，S是面積，k為熱導率，Cp為比熱，P為密度， 帶入2可得到熱傳導長度L:
<formula>formula see original document page 6</formula>(4)
通過對熱時間常數t的測量，可以得到器件的熱傳導長度L。 通過測量出的il、 t2，采用(1)的形式，進行擬合，求出各自的溫升al 見圖4。
如果器件施加的熱功率為P，溫升<formula>formula see original document page 6</formula>通過上述熱時間常數的測量和擬合，即可求出芯片的熱接觸面積S。 對于圖l給出的GaAsMESFET結構，測量的瞬態熱阻(溫升)曲線為 圖2。曲線上有兩個明顯臺階，分別對應的芯片和焊料層，及管座。 對該曲線微分，圖3，曲線峰值對應的時間位置，就是熱時間常數。 對于第一層材料為GaAs
t =543 " s, P=0.96W，溫升al=6.39°C ， RTH1=6.66°C/W, k=54 W/m °C， Cp=325J/Kg °C， P =5370Kg/m3
由公式得L-129Pm， S=0.36mm2
對于第二層材料為銅
t - 309365 U s, P=0.96W，溫升a2-3.24。C， RTH2= 3.38°C/W, k=392 W/m °C， Cp =390 J/Kg °C, P =8920 Kg/m3 由公式得L=5.90mm， S=5.30mm2
通過對這些數據的分析，可以得到器件的各部分熱傳導長度和熱接觸面 積。判斷器件的熱阻主要來源于何種原因。特別是對大量同型號器件比較時， 會篩選出各器件之間的差別。
權利要求
1、一種測量半導體器件內部芯片熱接觸面積的方法，其特征在于，包括以下步驟1)溫度上升的過程中，用下面公式表示
全文摘要
一種測量半導體器件內部芯片熱接觸面積的方法屬于半導體器件領域，主要用于測量電學性能參數合格的器件，其芯片或管殼等主要散熱構成的熱接觸面積，以利于熱特性考核。本發明的技術方案對測量的半導體器件瞬態溫升曲線，進行微分，求出傳熱導路徑上，主要熱時間常數；通過熱時間常數與熱阻、熱容的關系，求出該段結構的熱傳輸長度L；通過求出的熱時間常數，對溫升曲線進行擬合，求出與時間常數對應的溫升值和熱阻值。通過熱阻與結構的傳熱長度和接觸面積的關系，求出該結構部分的熱接觸面積。該方法可以測量出半導體內部芯片的實際熱傳導長度和熱接觸面積，半導體器件產品的檢測和質量分析方面有著重要的應用價值。
文檔編號G01R31/26GK101183135SQ20071017949
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月14日 優先權日2007年12月14日
發明者馮士維, 張光沉, 張躍宗, 郭春生 申請人:北京工業大學