半导体芯片封装外壳导热特性测试方法和测试模块

1.本发明涉及半导体芯片封装外壳测试技术领域，具体涉及一种半导体芯片封装外壳导热特性测试方法和测试模块。


背景技术：

2.在小型化半导体封装的热特性已成为目前制约半导体器件功率的重要因素，而如何对半导体功率芯片封装外壳导热性能评价是封装外壳评价的难点之一。常用的评价方法为对封装外壳模拟测试或采用半导体芯片如gan或gaas hemt芯片与封装外壳制作成模块进行导热特性测试的方法。
3.若采用模拟的方法无法真实反映封装外壳的热性能。
4.如果采用如gan或gaas hemt芯片与封装外壳制作模块进行导热特性测试的方法，无法评价管壳本身的导热参数，只能评价芯片和封装外壳合成一个模块后的导热性能；另外由于芯片发热区域为微米量级，发热很不均匀，烧结空洞及通孔的存在会导致芯片发热不稳定，从而使得封装外壳导热特性测试不准确。再加上半导体芯片为有源器件，栅极存在输入信号，导致栅极极易受到外界环境干扰导致测试过程中非常容易出现自激、突然烧毁等现象，造成测试效率低下及测试数据准确率低。且此种方法需要使用昂贵的芯片，成本太高。


技术实现要素：

5.因此，本发明提供一种半导体芯片封装外壳导热特性测试方法和测试模块，其采用与封装外壳尺寸匹配的金属薄膜电阻装配至封装外壳的内腔内，以模拟半导体芯片的工作状态，其发热均匀，并通过在线测试的方法获得封装外壳的导热特性，结构简单、测试结果准确且成本较低。
6.为了实现上述目的，本技术实施例一方面提供了一种半导体芯片封装外壳导热特性测试方法，包括：
7.在导热基板的上表面制作金属薄膜电阻；
8.将制作有金属薄膜电阻的导热基板固定装配在待测的封装外壳内、并与待测封装外壳电连接，组成封装外壳测试模块；
9.将封装外壳测试模块安装到红外测试系统中，对金属薄膜电阻通电模拟半导体芯片的工作状态；
10.测试金属薄膜电阻和封装外壳的表面温度，计算封装外壳的导热特性参数。
11.本技术实施例所示的方案，与现有技术相比，通过采用金属薄膜电阻代替芯片测试待测封装外壳的热特性，一方面金属薄膜电阻制作简单、相对芯片成本较低，另一方面，由于金属薄膜电阻发热稳定，在电阻两端加电，不存在自激的问题，金属薄膜电阻也不易被烧毁，测试的可靠性较高。
12.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，在导热基板的上表面制作金属薄膜电
阻，包括：清洗导热基板；
13.在导热基板的上表面采用光刻工艺制备预设阻值的金属薄膜电阻，在导热基板的下表面制备预设厚度的金属层；
14.采用分片工艺将导热基板分割成与待测的封装外壳内腔尺寸相匹配的多个导热基板。
15.一些实施例中，导热基板为金刚石基板、aln基板、sic基板或al2o3基板。
16.示例性的，金属薄膜电阻由镍、铬、金溅射或电镀而成，或者由tan和金溅射或电镀而成；金属层为金。
17.一些实施例中，将制作有金属薄膜电阻的导热基板固定装配在待测的封装外壳内、并与封装外壳电连接，包括：将导热基板的下表面采用氮气保护共晶烧结技术固定在待测的封装外壳的内腔壁上；
18.将金属薄膜电阻的输入端和接地端分别通过键合金丝与封装外壳的输入端子和外壳底座实现电气连接。
19.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，将封装外壳测试模块安装到红外测试系统中，包括：
20.装配红外测试系统：红外测试系统包括导热特性测试夹具、与导热特性测试夹具相应接口电连接的直流偏置模块、以及红外测试仪；其中，导热特性测试夹具用于装配封装外壳测试模块，直流偏置模块用于对安装在导热特性测试夹具上的金属薄膜电阻通电，红外测试仪包括加热平台、用于采集温度的红外镜头和用于处理采集图像的红外测试分析软件；导热特性测试夹具设置在加热平台上、采集温度的红外镜头设置在导热特性测试夹具的上方；
21.将封装外壳测试模块装配到导热特性测试夹具，通过直流偏置模块和导热测试夹具对金属薄膜电阻施加电压u。
22.示例性的，测试金属薄膜电阻和封装外壳的表面温度，计算封装外壳测试模块的导热特性参数，包括：
23.通过红外测试仪测定金属薄膜电阻的表面温度和封装外壳的温度；
24.计算封装外壳测试模块的热阻r
jc
，r
jc
＝(t
j-tc)/p
diss
；
25.其中tj表示金属薄膜电阻的表面温度、单位为k，tc表示封装外壳的温度、单位为k，p
diss
为金属薄膜电阻的功率，p
diss
＝ui，u表示施加在金属薄膜电阻上的电压、单位为v，i表示通过金属薄膜电阻上的电流、单位为a。
26.举例说明，所述金属薄膜电阻的输入端和接地端采用压焊工艺制作。
27.第二方面，本发明实施例还提供了一种半导体芯片封装外壳导热特性测试模块，包括：封装外壳，包括外壳底座、输入端子和输出端子，所述封装外壳围设成一用于封装半导体芯片的内腔；金刚石基板金属薄膜电阻，包括输入端和接地端；所述金刚石基板金属薄膜电阻固定装配在所述封装外壳的内腔壁上，且金刚石基板金属薄膜电阻的输入端接所述封装外壳的输入端子、接地端接所述封装外壳的外壳底座，组装成封装外壳测试模块。
28.示例性的，金属薄膜电阻由镍、铬和金溅射或电镀而成，或者由tan和金溅射或电镀而成。
29.本技术实施例所示的方案，与现有技术相比，通过将金属薄膜电阻固定装配在封
装外壳内腔中，且将金属薄膜电阻的输入端和接地端分别与封装外壳的输入端子和底座连接，组成封装外壳测试模块。不仅提高了封装外壳的测试可靠性，而且测试成本也大大降低。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本发明实施例提供的一种半导体芯片封装外壳导热特性测试方法中的金属薄膜电阻的结构示意图；
32.图2是本发明实施例提供的一种半导体芯片封装外壳导热特性测试方法中的封装外壳测试模块的结构示意图；
33.图3是本发明实施例提供的一种半导体芯片封装外壳导热特性测试方法中的封装外壳测试模块连接红外测试系统的结构示意图；
34.图中：10-金属薄膜电阻，11-导热基板，12-薄膜电阻层，13-背面金属层，14-输入端，15-接地端，20-封装外壳，21-外壳底座，22-输入端子，23-输出端子，30-封装外壳测试模块，40-红外测试仪，50-导热特性测试夹具，60-直流偏置模块。
具体实施方式
35.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
36.现有测试封装外壳导热特性通常采用模拟测试或安装芯片进行测试，但是都不能准确的反应待测封装外壳的热特性，从而无法准确评价待测封装外壳。但是封装外壳的导热特性直接影响芯片的工作性能，因此，准确评估封装外壳的导热特性是重要的前提。基于此，本技术通过模拟芯片的工作状态、实际测定封装外壳的导热特性，这样测定结果准确，可以用来评估封装外壳的实际导热特性。
37.为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
38.请一并参阅图1-图3，现对本发明提供的一种半导体芯片封装外壳导热特性测试方法进行说明。
39.首先在导热基板11的上表面制作金属薄膜电阻10，将制作有金属薄膜电阻10的导热基板11固定装配在待测的封装外壳20内、并与待测封装外壳20电连接，组成封装外壳测试模块30，即可对封装外壳测试模块30进行导热特性测试。本技术中采用红外测试系统对封装外壳测试模块30进行测试。将封装外壳测试模块30安装到红外测试系统中，对金属薄膜电阻10通电，从而模拟半导体芯片的工作状态。采用红外测试系统测试金属薄膜电阻10和封装外壳20的表面温度，计算封装外壳20的导热特性参数。
40.本实施例中，通过在导热基板11上制备金属薄膜电阻10，测试金属薄膜电阻10的
导热特性后，将金属薄膜电阻10固定在待测封装外壳20内，组成封装外壳测试模块30。采用金属薄膜电阻10代替芯片测试待测封装外壳20的热特性，一方面金属薄膜电阻10制作简单、相对芯片成本较低，另一方面，由于金属薄膜电阻10发热稳定，在电阻两端加电，不存在自激的问题，金属薄膜电阻10也不易被烧毁，测试的可靠性较高。
41.在其中一个实施例中，金属薄膜电阻10的制备方法包括：
42.首先需要先对选用的导热基板11进行清洗，其中导热基板11可以采用热导率较高的材料作为基底，如金刚石、aln、sic或al2o3基板。
43.然后在导热基板11的上表面采用电镀或磁控溅射法制备一层nicr层或者tan层，根据设定的薄膜电阻的尺寸，采用精度为1μm的光刻工艺，在导热基板11的上表面制备特定阻值的薄膜电阻层12，从而使方块电阻的阻值恒定。在导热基板11的下表面采用电镀或磁控溅射法制备一层特定厚度的背面金属层13，提高金属薄膜电阻10的导电性能，提高导电率。金属薄膜电阻10制备完成后，采用分片工艺将所述导热基板11，按照设定的金属薄膜电阻10的尺寸进行分割，并与待测封装外壳内腔尺寸相匹配。即金属薄膜电阻10的尺寸与待测封装外壳内部实际安装的芯片的尺寸相当即可。
44.具体地，薄膜电阻层12由镍、铬、金溅射或电镀而成，或者由tan和金溅射或电镀而成。金属薄膜电阻10可以应用到多种封装外壳中。当需要测试微波封装外壳时，则需要选用宽电阻率、低电阻温度系数以及自钝化特性的金属材料，tan薄膜制备的金属薄膜电阻10则可以用到微波芯片的封装外壳中测试微波功率芯片封装外壳的热特性。
45.一些实施例中，为了保证金属薄膜电阻10与待测的封装外壳底部固定时不会使热量集中在底部，因此在金属薄膜电阻10的基板的下表面电镀或磁控溅射一层纯金，从而提高基板底部的散热，不会使热量集中在基板的下表面，热量分布不均匀。
46.一些实施例中，为了保证金属薄膜电阻10的精度，金属薄膜电阻10采用精度为1μm的光刻工艺制备而成，从而保证金属薄膜电阻10的精度，保证制备的方块电阻的阻值恒定。当使用此金属薄膜电阻10测试待测封装外壳的热特性时，可以保证测试的精度。薄膜电阻可以采用磁控溅射及电镀工艺制备。
47.本实施例中，为了将金属薄膜电阻10固定在待测封装外壳内，且不会影响待测封装外壳的导热特性，因此，采用氮气保护共晶烧结技术，将导热基板11的下表面固定在待测封装外壳的内腔壁上。对于所需安装的芯片对固定方式要求不是更高的情况下，也可以采用其他的技术，将金属薄膜电阻10固定在待测封装外壳的内腔中。
48.具体地，金属薄膜电阻10包括输入端14和接地端15，且输入端14和接地端15通过采用压焊工艺制作而成。待测封装外壳上也对应设有输入端子22和外壳底座21，用于分别与金属薄膜电阻10的输入端14和接地端15焊接，从而实现将金属薄膜电阻10和待测封装外壳的电连接。为了将金属薄膜电阻10与待测封装外壳实现有效的电连接，采用键合金丝的方法，从而实现金属薄膜电阻10与待测封装外壳的有效连接。
49.在其中一个实施例中，红外测试系统包括导热特性测试夹具50、与导热特性测试夹具50相应接口电连接的直流偏置模块60、和红外测试仪40。需要说明的是，本技术实施例中的红外测试仪40、直流偏置模块60和导热特性测试夹具50均为现有的设备或模块。
50.其中，导热特性测试夹具50用于装配封装外壳测试模块，直流偏置模块60用于对安装在导热特性测试夹具50上的金属薄膜电阻10通电，使金属薄膜电阻10可以产生一定的
热功耗，从而可以模拟芯片正常工作时的封装外壳的热特性。
51.红外测试仪40包括加热平台、用于采集温度的红外镜头和用于处理采集图像的红外测试分析软件。导热特性测试夹具50设置在加热平台上、采集温度的红外镜头设置在导热特性测试夹具的上方。将封装外壳测试模块30装配到导热特性测试夹具50上，通过直流偏置模块60和导热特性测试夹具50对金属薄膜电阻10施加电压u。其中，加热平台一方面可以用来校正红外测试仪的准确性，另一方面，加热平台同时还能模拟真实使用环境，在测试时需要对待测的封装外壳测试模块进行加热。加热平台的温度一般为70度，最高为110度。
52.具体的测试方法为：通过直流偏置模块60向金属薄膜电阻10施加电压u和电流i，计算金属薄膜电阻10产生的功率p
diss
＝ui。其中，电压u的单位为v，i的单位为a。利用红外测试仪40测试金属薄膜电阻10的表面温度tj和封装外壳温度tc，温度的单位为k。通过热阻计算公式得到封装外壳的热阻：
53.r
jc
＝(t
j-tc)/p
diss
，从而得到待测的封装外壳的导热特性参数r
jc
。
54.本技术通过采用金属薄膜电阻10固定在待测封装外壳中，从而实现待测的封装外壳热特性的测试。结构简单、操作方便、成本低。金属薄膜电阻10与常规使用的gan和gaas hemt芯片发热相比，金属薄膜电阻10温度稳定。由于在金属薄膜电阻10两端加电，不存在自激的问题，不容易烧毁。但是常规测试需要在gaas和gan hemt三端加电，芯片容易烧毁。
55.表1以河北半导体研究所生产的管壳qf0714-2的为例，给出了原有测试方法与本发明的方法在对管壳qf0714-2的导热性能测试上存在的差别。
56.表1
57.58.作为本发明的另一种实施例，提供了一种半导体芯片封装外壳导热特性测试模块，包括封装外壳20和金刚石基板金属薄膜电阻10。
59.其中封装外壳20，包括外壳底座21、输入端子22和输出端子23，封装外壳20围设成一用于封装半导体芯片的内腔。金刚石基板金属薄膜电阻10，包括输入端14和接地端15。
60.金刚石基板金属薄膜电阻10固定装配在封装外壳20的内腔壁上，且金刚石基板金属薄膜电阻10的输入端14接封装外壳20的输入端子22、接地端15接封装外壳的外壳底座21，组装成封装外壳测试模块30。
61.在其中一个实施例中，金属薄膜电阻10由镍、铬和金溅射或电镀而成，或者由tan和金溅射或电镀而成。
62.本发明采用金刚石基板金属薄膜电阻10和封装外壳20组成封装外壳测试模块30，降低了芯片的制作成本，大大提高了封装外壳的导热特性测试效率及降低了测试成本。
63.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。