“看透”热阻

作为当今高新技术的重要基本单元，基于半导体材料的微电子和光电子器件与人们的生活息息相关，无论是在航空航天领域的火箭、大飞机，还是日常生活中的智能手机、平板电脑中，人们都能够直接或间接地感受到它们所带来的便利。然而，很多人都遇到过电子产品过热而无法工作的问题，究其原因，是半导体器件工作时因温度升高而导致的可靠性下降。一般来说，温度每升高10摄氏度，器件的寿命会缩短为原来的一半。因此，获取器件的瞬态温度是决定电子系统可靠性的关键。

半导体器件中控制电流通过的PN结或沟道区域是温度最高的区域，即有源区。有源区温升常用来定义器件热阻。热阻是单位功率下器件所产生的温升，是测量器件工作温升的关键参数。利用瞬态温升与内在热阻结构的关联性，可以获取从有源区至周围环境的热阻构成，进而得到器件工作时的温度。因此，业界的研究者一直致力于利用器件自身有源区处的电学参数随温度变化关系准确测量其温度。这种测量方法不受尺度的限制，速度快，是一种便捷的非破坏性测量，也是工业界青睐的测温手段。

北京工业大学可靠性物理研究室的研究团队一直在对半导体器件工作温升及热阻构成的快速、无损检测技术进行研究。通过一系列努力，研究团队自主研发出了TTE系列热阻测试仪，利用有源区电学参数随时间的温度上升（或下降）瞬态过程与器件散热路径热时间常数的对应关系，不但可以获得稳态热阻，更能分辨出不同封装材料对温升的贡献，即热阻构成，并将这些信息进行提取、放大，直观地展示在人们眼前。这相当于为人们添加了一副能够看透从芯片到散热器的“眼镜”，可以容易地分辨出各部分的热阻或对温升的贡献。

TTE系列热阻测试仪采用了最先进的JEDEC51-1中的静态测试法和动态测试法，最大采样速率高达每秒1兆样本，采样间隔1微秒，结温分辨率高达0.1摄氏度。其中静态测试法是指器件中加热和测温元件分离时，实时采集测温元件上的温度变化获取温升和热阻；动态测试法是指器件中加热和测温元件相同时，对被测器件从测试小电流切换到加热大电流，加热到热稳态后，再切换到小电流的热敏参数测量状态。动态测试法一般不需要额外制备测温元件，利用其中的一个电学参数随温度变化特性（一般线性）即可。

TTE系列热阻仪通过USB接口与计算机通信，实现海量数据提取；采用现场可编程门阵列（FPGA）作为时序控制单元，实现了高速采集模块和快速电子切换开关；配置有外部开关，可控制多路热源加热被测器件。其配套装置有水冷恒温系统、器件配套夹具等。输出功率范围较大，最大工作电流为20安，工作电压为100伏。

研究团队对一系列器件的实验结果显示，对器件施加工作电源后，其有源区温度的上升过程与散热路径上衬底、焊料、管壳等不同材料部位的热阻、热容有明显的对应关系。TTE系列热阻测试仪采用瞬态加热响应曲线的一次采集法，可对常用半导体整流管、双极型晶体管、LED、金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）、砷化镓金属半导体场效应晶体管（MESFET）和氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）等器件实施热阻测量分析；也可以测量各种复杂散热模组的热阻特性，如热管、风扇等，能够有效提高测量效率。测温时，将被测器件放置在一定温度的恒温平台上，测量施加功率前后温敏参数的变化量，再除以线性变化的温度系数，即可得到有源区温升。

与在现有的测温技术相比，TTE系列热阻测试仪具有明显的优势。如今常用的物理接触法采用测温探头（如热电偶、铂电阻等）接触被测物体获取温度，难以实现对器件有源区测温。而红外热像测温技术虽然能够较为方便地获取芯片表面温度分布，但一方面，微电子器件的尺寸已进入纳米尺度，功率器件也只有微米尺度，而热像测温技术受红外辐射波长和像素点限制，目前红外测量最小像素点要大于2微米，这使得有源区空间测温的有效性受到了限制；另一方面，红外热像测温技术只能反映出芯片表面的温度分布情况，与实际内部有源区温度还存在一定差异，对纵向散热路径上的温度梯度贡献不会产生任何表征，而且测量时需要暴露芯片表面，属于破坏性测量。而TTE系列热阻测试仪则不但可以测量器件的稳态温升和热阻，而且可测量出不同材料部位对温升的贡献。也就是说，TTE系列热阻测试仪可以用芯片温度上升的时间过程曲线获取芯片热量流经路径空间上的热阻构成。

实际上，目前市场上已有多种结温测试仪，例如美国麦克雷尔公司的半导体器件封装热特性测试仪T3ster、Analysis Tech公司的半导体热阻测试仪Phase 11。但这类进口仪器的价格相对昂贵，对国内用户的技术支持力度有限；同时，市场上具有结构函数分析功能热阻测试仪器也相对较少。综合来看，TTE系列热阻测试仪是中国研究团队自主研发的新一代热阻测试仪，它利用通过瞬态温升曲线获取热阻构成的先进结构函数算法技术以及数据分析软件的智能化，帮助用户自动分析器件内部结构的热阻构成。它与国外仪器拥有同样出色的性能参数，而价格却只是进口仪器的六分之一，能够让更多的国内芯片制造商和应用商提供高性价比的技术支持。

TTE系列产品投放市场两年以来，帮助众多企业和科研院提高研发进度，降低生产成本，已经形成初步商业应用。利用TTE系列热阻测试仪进行简单的测试，芯片生产企业即可见微知著，“看透”芯片各层的热阻值，并在研发过程中进行有针对性的改善，从而设计出性能更好的产品。透过芯片热阻这扇窗，TTE系列热阻测试仪将进一步实用化和商业化，为技术产业提供更加有效的支持，进而带动中国整个电子信息产业的研发和应用。