专利名称：一种测量半导体器件内部芯片热接触面积的方法
技术领域：
本方法适用于半导体器件的生产和应用领域，主要用于测量电学性能参 数合格的器件，其芯片或管壳等主要散热构成的热接触面积，以利于热特性 考核。
背景技术：
一个封装后成品半导体器件(如半导体晶体管、半导体场效应管、半导 体集成电路、半导体发光管和激光器等)主要有半导体芯片、焊料和管壳组 成。见图1。当器件工作时，热量从芯片产生，流经焊料和管壳散向周围环境。 热量流经的每一部分都有一定的热阻和热容。当半导体器件从施加功率开始， 到稳定状态，记录的芯片上有源区温度随时间上升过程曲线，就是器件瞬态 加热响应曲线。由于热量流经的路程中，各部分的热阻、热容的贡献不同， 在瞬态加热响应曲线上，会出现上升的拐点，甚至台阶的出现。尤其是将时
间轴采用对数坐标后，更能分辨出上升过程的细微差别。见图2。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量半导体器件内部芯片热接触面积的方法， 可以测量出半导体内部芯片的实际热传导长度和实际热接触面积。在半导体 器件产品的检测和质量分析方面有着重要的应用价值。
本发明的技术方案叙述如下
1、 对测量的半导体器件瞬态温升曲线，进行微分，求出传热导路径上， 主要热时间常数；
2、 通过热时间常数与热阻、热容的关系，求出该段结构的热传输长度
3、 通过求出的热时间常数，对温升曲线进行拟合，求出与热时间常数 对应的温升值和热阻值。
4、 通过热阻与结构的传热长度和接触面积的关系，求出该结构部分的 热接触面积。
本发明提供的一种测量半导体器件内部芯片热接触面积的方法，其特征 在于，包括以下步骤
1) 温度上升的过程中，用下面公式表示-
r(O = A (1 - e-〃ri) + a2 (1 - e-'〃2) +........+ A (1 - e-〃r')
=|>(1 —,) (!)
这里的Ti是半导体器件中，流经不同部分，起主要作用的材料部分热时间
常数；ai则是与i对应的结构部分，达到稳态后对整体温升的贡献；
2) 对于测量的瞬态温升曲线；横坐标为取对数的坐标；曲线中有2-4个台
阶，通过对该曲线求导，求出热时间常数^
热时间常数是与该结构部分的热阻和热容相关联的，热时间常数为
r = ^C (2)
热阻和热容分别为 &=^，C = C, (3)
其中L是结构的传热长度，S是热接触面积，k为热导率，Cp为比热，P 为密度，
公式(3)代入(2)得到长度L: z= [IHE (4)
3) 测量热时间常数t得到器件的传热长度L;
4) 通过测量出的热时间常数Ti，按照公式(1)进行拟合，求出各自对 应结构部分的温升aj;
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中器件施加的热功率为P，其余参数物理意义如上； 通过上述热时间常数的测量和拟合，求出各自对应结构部分的热接触面 积S。200710179493.X
说明书第3/5页
本发明的发明点所在
1、 通过测量的热时间常数T，与热阻、热容关系，测量出其热传导 长度。
2、 通过测量的热时间常数T，对温升曲线拟合，测量出与时间常数 T对应的温升值，通过施加的功率P，分别得出器件构成主要部分的热接触 面积。
3、 如果芯片或焊料的尺寸是规则的，如上下面积一致，测量的就 是热接触面积，如果不是规则的，上下面积不一致，测量的结果可以视为 等效面积。
该方法，通过对半导体器件瞬态温升过程的测量分析，可以测量出半导 体内部芯片的实际热传导长度和热接触面积。在半导体器件产品的检测和质 量分析方面有着重要的应用价值。
图1典型半导体器件垂直结构a:示意图；b:热阻热容网络 图中1-半导体芯片、2-焊料，3-管壳，d-芯片及焊料热容；CVt壳热容、 Rrar芯片及焊料热阻，Rra2-管壳热阻；
图2瞬态温升曲线的测量及其拟合结果
图3瞬态温升曲线的微分结果
图4通过拟合求解不同热时间常数对应的温升值
具体实施例方式
一般温度上升的过程中，可以用下面公式表示
r《)=a (i - f〃r')+"2 (i - f )+........+^ (i - 〃"
这里的Ti是半导体器件中，流经不同部分，起主要作用的材料部分热时间
常数。ai则是与i对应的结构部分，达到稳态后对整体温升的贡献。
一般常用的半导体器件中，起主要作用的结构热时间常数主要为2~4个 参数之间。图2是一个测量的GaAsMESFET瞬态温升曲线实测例子。横坐标 为取对数的坐标。曲线中出现两个台阶，对应两个热时间常数。通过对该曲 线求导，求出这两个热时间常数Tl、 t2。见图3。
热时间常数是与该结构部分的热阻和热容相关联的。从图1的b可见，
时间常数为-
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
对于规则的尺寸，如图la，热阻和热容分别为 <formula>formula see original document page 6</formula> (3)
L是结构的热传导长度，S是面积，k为热导率，Cp为比热，P为密度， 带入2可得到热传导长度L:
<formula>formula see original document page 6</formula>(4)
通过对热时间常数t的测量，可以得到器件的热传导长度L。 通过测量出的il、 t2，采用(1)的形式，进行拟合，求出各自的温升al 见图4。
如果器件施加的热功率为P，温升<formula>formula see original document page 6</formula>通过上述热时间常数的测量和拟合，即可求出芯片的热接触面积S。 对于图l给出的GaAsMESFET结构，测量的瞬态热阻(温升)曲线为 图2。曲线上有两个明显台阶，分别对应的芯片和焊料层，及管座。 对该曲线微分，图3，曲线峰值对应的时间位置，就是热时间常数。 对于第一层材料为GaAs
t =543 " s, P=0.96W，温升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
对于第二层材料为铜
t - 309365 U s, P=0.96W，温升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
通过对这些数据的分析，可以得到器件的各部分热传导长度和热接触面 积。判断器件的热阻主要来源于何种原因。特别是对大量同型号器件比较时， 会筛选出各器件之间的差别。
权利要求
1、一种测量半导体器件内部芯片热接触面积的方法，其特征在于，包括以下步骤1)温度上升的过程中，用下面公式表示
全文摘要
一种测量半导体器件内部芯片热接触面积的方法属于半导体器件领域，主要用于测量电学性能参数合格的器件，其芯片或管壳等主要散热构成的热接触面积，以利于热特性考核。本发明的技术方案对测量的半导体器件瞬态温升曲线，进行微分，求出传热导路径上，主要热时间常数；通过热时间常数与热阻、热容的关系，求出该段结构的热传输长度L；通过求出的热时间常数，对温升曲线进行拟合，求出与时间常数对应的温升值和热阻值。通过热阻与结构的传热长度和接触面积的关系，求出该结构部分的热接触面积。该方法可以测量出半导体内部芯片的实际热传导长度和热接触面积，半导体器件产品的检测和质量分析方面有着重要的应用价值。
文档编号G01R31/26GK101183135SQ20071017949
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者冯士维, 张光沉, 张跃宗, 郭春生 申请人:北京工业大学