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热测试(四)——结构函数的实际应用 (2)

3年前浏览1386

  结构函数清晰的解析了器件的内部结构,无论这个器件是新器件还是旧器件,好器件还是坏器件(还能通电),所以可以用来做封装内部的故障分析。

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图一 热故障解析:封装内部


   假定同一批器件,良品的结构函数如左图。而右图是不良品的结构函数。通过两个结构函数的对比,可以清晰的看出,在Die,base 和grease段的结构函数都基本一样,唯独表征Die Attach那一段的结构函数,不良品要比良品长,其意义就是不良品的热阻要比良品的热阻大。物理上,由于不良品在Die Attach一层产生了故障,如果用超声波探伤仪可以知道探测到里面的剥离,用X射线扫描可以发现里面有气泡,但是这两种探测方式都无法把故障的地方锁定在Die Attach区域,如果想知道准确的故障位置,只能打开器件。

   而结构函数分析法,并不需要打开器件,只要通过一次简单的测定,就可以知道故障发生的位置,器件的降级程度(还能不能继续使用)等等。

   这项技术在各个部门的用法也不一样,物品部全检和抽检相结合,可以用来评价供应商器件的质量,质量部对产品进行质量检测时,可以根据器件的热阻大小,对产品进行分类。

   产品数量很大,单只测试效率太低,需要对测试设备做一些定制,比如多通道同时测试,包括设计特定的夹具,便于整个测试过程的操作。同时测试的数据分析软件也能一体化,并留有相应的接口,使用者可以根据自己的测试要求,定制测试流程,批量测试自己的产品。


   工艺设计和研发部对结构函数的使用又有不同,下面我们用一个例子来说明。

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图二 结合部的热测试与分析

 

   上图是一个装配图,芯片(MOSFET)同螺栓固定装配在热沉上,装配方式有四种:

  • 在芯片和热沉之间涂上Grease;

  • 直接把芯片放在热沉上;

  • 在芯片和热沉之间添加一个绝缘层,并用较大的预紧力固定;

  • 同样的芯片,热沉和绝缘层,只是减小了固定力矩。

   这四种方式会得到四种不同的结构函数,通过对这些结构函数的比较,我们发现:

  • 芯片部分的结构函数曲线依然是重复性非常好;

  • 最小θJA(结到环境的热阻)是使用Grease,大概在6K/W左右;

  • 不使用Grease 是θJA增加了0.92K/W;

  • 相对于不使用Grease这种装配形式,增加绝缘层,用强力矩固定,又使θJA增加了1.13K/W,而力矩的改变导致θJA的变化是0.03K/W。

   一定程度上说,热设计的目标就是尽可能的减小θJA,以上的测试结果,我们可以看出:

  • 不同的装配工艺会给θJA带来很大的变化,如果条件允许的话,尽量选择热阻较小的装配工艺;

  • 芯片的热阻所占比重并不是很高,而选择热阻较低的芯片,会导致成本大幅上升,总体热阻减低的情况并不十分理想,不如在散热路径上多想想办法;

  • 力矩的变化,对热阻的影响不是很大,如果该电子系统是在振动比较大环境下使用,我们可以选择较小的力矩来提升系统的柔性。

   以上是测试结果为产品设计提供的参考思路,而在设计的细节上,我们同样可以使用结构函数。

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图三 不同Grease对系统热阻的影响


   同样是涂上Grease,我们同时选用八种不同热导率的Grease,在同样预紧力的情况下,做相应的结构函数测试。

   按照热阻大小排列,排除不涂Grease(Dry)的不算,测试结果显示,02样品(热阻第二大)的热导率是1.55 K/W,03和04几乎贴在一起,但是他们的热导率分别是0.77 K/W和0.6 K/W,热阻的大小顺序并没有按照热导率从低到高排列。

   原因是为了提高02样品的热导率,估计是添加了类似于陶瓷粉末这样的微小颗粒而使得该Grease的粘性增加,在同样预紧力的情况下,它的厚度远远大于03和04号样品。

         Grease的标准厚度大概是150微米以下,我也见过可以压到40微米左右的Grease,这种界面材料使用在表面相对光洁度比较高,比较平整的结合部,虽然热导率不是很高,依然可以起到很好的效果。

   可见我们在选择Grease型号的时候,不能仅仅只考虑它的热导率。有条件的情况下,还是要对现有的工艺做实际的结构函数测试,避免发生不良设计甚至是芯片“炸机”这样的危险。


   未完待续


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首次发布时间:2021-07-03
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