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2017-09-30 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
芯片熱阻測(cè)量
IC 封裝的熱阻(Rjc, Rja),對(duì)于任何熱設(shè)計(jì)工程師,封裝設(shè)計(jì)及硬件工程師來(lái)說(shuō),都是非常耳熟的名詞,都期望能在規(guī)格書(shū)中找到齊全的熱阻參數(shù),并且能夠精準(zhǔn)。可現(xiàn)實(shí)中常難于如愿,熱阻參數(shù)除了不齊全外,有的還不一定準(zhǔn)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(wèn)咨詢專(zhuān)家劉(水靈)工提出了自己的見(jiàn)解:當(dāng)前要準(zhǔn)確測(cè)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(gè)結(jié)。目前熱阻提取方法大概有三:
1 通過(guò)熱仿真提取
2 根據(jù)Jedec標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量
3 通過(guò)瞬態(tài)熱測(cè)試儀T3ster
下面我們看看通過(guò)T3ster 測(cè)試儀來(lái)檢測(cè)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(gè)號(hào)稱(chēng)熱測(cè)試中的“X射線” 神器-T3ster,一起揭開(kāi)它的面紗。
一、T3ster簡(jiǎn)介
T3ster是目前唯一滿足半導(dǎo)體熱阻模型測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀器;其開(kāi)發(fā)者也是JESD51-14(半導(dǎo)體結(jié)殼熱阻?jc)測(cè)試方法制定者,可算是半導(dǎo)體熱阻測(cè)試的領(lǐng)導(dǎo)者。其獨(dú)創(chuàng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)分析法,能夠分析器件熱傳導(dǎo)路徑上每層結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能(熱阻和熱容參數(shù)),構(gòu)建熱學(xué)模型,是封裝工藝,可靠性試驗(yàn),材料特性以及接觸熱阻的強(qiáng)大支持工具,被譽(yù)為熱測(cè)試中的“X射線”;適應(yīng)于IC,SOC,SIP,散熱器,熱管等熱特性測(cè)量分析。
T3ster在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用
①驗(yàn)證IC芯片散熱特性
-通過(guò)測(cè)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(cè)試驗(yàn)證:
-芯片廠家沒(méi)提供熱阻參數(shù)或者提供的熱阻值與產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境不一致
-T3ster不破壞芯片結(jié)構(gòu),通過(guò)靜態(tài)熱阻測(cè)量方法,測(cè)試芯片的熱阻
-可進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)分析、失效實(shí)驗(yàn)分析
③T3ster的測(cè)試結(jié)果直接導(dǎo)入到Flotherm軟件進(jìn)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(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱墊片、螺釘聯(lián)接、干接觸殼體等
-通過(guò)T3ster快速測(cè)試各種材料的接觸熱阻,驗(yàn)證不同工藝的散熱效果。
⑤材料熱學(xué)性能的驗(yàn)證
二、熱阻檢測(cè)案例
對(duì)3個(gè)同一批次芯片樣品進(jìn)行熱瞬態(tài)測(cè)試,通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)芯片結(jié)構(gòu)層熱特性進(jìn)行對(duì)比分析。
樣品數(shù)量: 3pcs(#1,#2,#3)
器件類(lèi)型: To220
測(cè)試設(shè)備: Mentor T3ster
測(cè)試地點(diǎn): 興森科技&貝思科爾聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室
測(cè)試工程師:John Liu
說(shuō)明:3個(gè)樣品分別放入T3ster恒溫槽里面,用同一導(dǎo)熱墊接觸,
導(dǎo)熱墊參數(shù):厚1mm,K=5.5w/m-k
測(cè)試方法:one by one ;
對(duì)#1號(hào)樣品增加一組導(dǎo)熱硅脂的測(cè)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(cè)量TSP,得到一條校準(zhǔn)曲線。該直線斜率即為K系數(shù)。
瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線
結(jié)構(gòu)函數(shù)是軟件后處理分析的重點(diǎn)。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(guò)T3ster對(duì)芯片熱相關(guān)參數(shù)的測(cè)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(guò)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(jiǎn)化的熱阻模型
①下圖為樣品#1采用兩個(gè)不同的TIM材料所得的結(jié)構(gòu)函數(shù);
- 我們通過(guò)分析軟件可清晰的找到了兩曲線的交叉點(diǎn),此點(diǎn)值正是芯片的結(jié)殼熱阻。交叉點(diǎn)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(gè)芯片,所以理論上應(yīng)該是重合的。當(dāng)然假設(shè)同一個(gè)芯片工作久了在拿過(guò)來(lái)測(cè),或許就會(huì)差別較大了,這也就是通常我們所說(shuō)的芯片老化,疲勞帶來(lái)的品質(zhì)問(wèn)題。
②3個(gè)樣品測(cè)試的結(jié)構(gòu)函數(shù)
從下圖可看出,#1,#2,#3三個(gè)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(gè)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(dǎo)致其各層熱阻的差異,通過(guò)同批次多數(shù)量的熱阻檢測(cè),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(cè)量時(shí)壓力不同導(dǎo)致。
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