[發(fā)明專利]一種半導體瞬態(tài)熱測試結(jié)果分析方法

在審

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• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114091292A
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發(fā)明（設計）人: 羅亞非
• 申請（專利權(quán)）人: 魯歐智造（山東）高端裝備科技有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 山東華君知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37300
• 代理人: 程靜靜

本申請公開了一種半導體瞬態(tài)熱測試結(jié)果分析方法，所述分析方法是采用等溫面對熱阻熱容模型進行定義，并將熱阻值和熱容值的熱測試結(jié)果與熱仿真結(jié)果進行一致性對比，最終獲得精準的熱阻熱容仿真模型參數(shù)，實現(xiàn)高精度的熱數(shù)字雙胞胎。具有以下優(yōu)點：解決了如何將該數(shù)學模型中的各級網(wǎng)格的“節(jié)點”與實際三維結(jié)構(gòu)進行對應，從而有效進行熱結(jié)構(gòu)分析的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種半導體瞬態(tài)熱測試結(jié)果分析方法，屬于測試數(shù)據(jù)分析技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

瞬態(tài)熱測試是目前半導體行業(yè)中最精密熱測試方法。相對于穩(wěn)態(tài)熱測試，瞬態(tài)熱測試采集熱源溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，具有更高的精度與更大的數(shù)據(jù)量。而且因為具有時間信息，從瞬態(tài)熱測試結(jié)果中除了可以進行熱阻分析，還可以進行熱容分析。

采集到溫度隨時間變化的瞬態(tài)熱測試數(shù)據(jù)（圖1）后，可以通過一系列的數(shù)學計算獲得由熱阻熱容（RthCth）構(gòu)成的多級熱網(wǎng)格模型（圖2）。

以上關(guān)于瞬態(tài)熱測試的方法，以及由瞬態(tài)熱測試結(jié)果（熱源溫度隨時間變化的曲線）計算獲得RthCth模型的數(shù)學方法已經(jīng)在JEDEC JESD 51-14標準中公開，目前在行業(yè)內(nèi)被廣泛使用。

這種使用RthCth階梯網(wǎng)格模型進行熱分析的方法，相對與直接使用溫度vs時間的測試結(jié)果來說，可以一定程度的方便對樣品的熱特性進行分析（比如可以直接看到熱阻熱容值），但是該模型是一維的純數(shù)學模型，無法與實際樣品的三維幾何結(jié)構(gòu)建立準確聯(lián)系，這就給實際樣品分析帶來了很大的阻礙。

以實際IGBT產(chǎn)品為例，通過瞬態(tài)熱測試獲得的溫度隨時間變化數(shù)據(jù)如圖3（瞬態(tài)熱測試數(shù)據(jù)）所示。

不論是瞬態(tài)熱測試數(shù)據(jù)，還是按照JESD 51-14的數(shù)學計算后得到的一維RthCth數(shù)學模型，都無法直接關(guān)聯(lián)應到產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)上，這是無法進行的熱結(jié)構(gòu)分析的。

另外一個現(xiàn)有熱分析方法的重大問題在于，人們習慣性的按照產(chǎn)品各部分組成材料的物理邊界來定義熱阻，比如上述例子中的IGBT封裝產(chǎn)品，大多數(shù)情況被分解為Die（芯片層）、Die-Attach（芯片晶合層）、Copper（銅層）、Insulation（絕緣層）、Copper Frame（銅底板層）這樣的材料疊加方式建立一維熱阻模型，如圖4所示。

采用這種按照材料物理邊界的方式定義的RthCth模型在進行分析的時候，會存在嚴重問題。這是因為RthCth數(shù)學模型上的任何結(jié)點都具有唯一的溫度值，但是對應的材料物理邊界的溫度一般都不是均衡的，例如銅底板表面的溫度是非常不均勻的，中心處溫度和邊角溫度差異會非常的大。而數(shù)學模型種只有一個點的溫度值，強制使用這種熱阻定義的話，就意味著把銅底板表面當作溫度各處一致的面，這與實際情況有很大的出入，最終導致熱分析的精度大大降低。

熱分析問題的根源在于按照材料物理邊界定義熱阻熱容模型的時候，RthCth數(shù)學模型中的結(jié)點只有一個溫度值，而實際材料的外形邊界（材料表面）上的溫度并不一致，會存在一個分布，如圖5所示。這樣用材料外形邊界定義熱阻熱容的時候，將無法與RthCth數(shù)學模型進行對應。

如圖5中的等溫面是空間上所有溫度相同的點組成的面。根據(jù)流體理論，等溫面是由溫度相等的所有點構(gòu)成的閉合曲面，以產(chǎn)生熱量的熱源為中心逐個向往“膨脹”，類似洋蔥結(jié)構(gòu)，很明顯，等溫面的形狀與材料的物理形狀是完全不同的。

在熱傳導過程中遵守能量守恒法則，也就是說熱源產(chǎn)生的總熱量（W）等于通過任意一個等溫面的總熱量（W）。另外一種等效說法是通過任意兩個等溫面上總熱量（W）是相等的，等于熱源產(chǎn)生的總熱量。

發(fā)明內(nèi)容