半导体瞬态热测试技术的前世今生及未来

半导体瞬态热测试技术的前世今生及未来

   应用半导体的IV曲线去测量半导体结温，是一项芯片结温测量技术，从半导体物理学的角度，我们知道在PN结上施加恒流源后，结电压随着温度的变化大约是 -1 mV/°C ～ -2 mV/°C。描绘二极管电压随着温度的变化特征可以使用户测量二极管电压，并很容易地确定芯片温度。通过测量电压的去测量结温的方法也叫ETM（Electrical Test Method），在测量温度之前，首先要对表征该半导体电压和温度的关系线的斜率——即的ETM的K系数做准确标定，其标定的方法请参考前面的文章（ETM法测结温）。大电流的K系数标定算法，目前还是一个业内难题（由于大电流自带一部功率，会影响最终的温度），小电流的K系数，由于小电流功率较小（几百分之一，可以作为测量误差），因而被广泛使用。为了测试结果的可比性，1995年，JEDEC出具了JESD 51-1半导体热测试标准，规定了功率，测试条件，测量设备的精度要求等测试要素，同时也提供了两种测试方法（动态法和静态法），并指出这两种测试方法的主要适用对象及工况。

  后续车规级可靠性测试标准AQG324，也是主要参考了JESD 51-1的标准。

  基于JESD 51-1的标准，对结温的测量，其误差是比较大的，主要有几个因素：

1、对于半导体电压的测量，有一定的测量底噪，既是电压的测量精度。半导体导通压降一般是V级别，目前最高等级的电压表是0.1级（51-1的标准要求是0.5级），也就是千分之一的误差，换算成电压就是mV级别，而绝大部分简易的电压测量装置，底噪普遍在3-5mV，换算成温度误差大概是2-3度；

2、半导体工作时，引起半导体结温上升的是工作电流（大电流），这时如果需要测量结温，需要把半导体的大电流切断，换成已知K系数的小电流去测量压降，而这种切换过程中，大电流不能瞬间关断，小电流测量出的电压值，在切换完成的瞬间（51-1标准提到的切换时间是几十us，实际上各种设备开关速度大概是从几百us到ms不等），基本上也是噪声，无法表征实际的温度信息。

  为了能准确测量芯片的结温，及响应工业上对芯片的散热结构做定量分析的需求，瞬态热测试技术由此而生，并在2010年诞生了目前最先进的热测试标准——JESD51-14。瞬态热测试技术是用高频信号对半导体的结电压做长时间的连续采样，从而提高温度的测量精度，同时通过结电压的变化曲线去分析电子器件的一维散热路径。第一个提出电子瞬态方法测量元件结温是70 年代的Blackburn等人。之后Siegel提出了一种从电子瞬态测量数据中提取2个或3个主要热流时间常数的方法。再往后，Sofia提出了一种使用电子瞬态测试方法从塑料封装中区分陶瓷封装的方法。1988年，Szbkely提出了一种通过反卷积识别网络的详细方法，这种方法提供了精确的数学方法以获得完整的各部分时间常数，动态热阻和热容。97年匈牙利MicRED公司（后来MicRED公司被英国Flomerics公司收购，而Flomerics公司又被Mentor收购，成立结构分析部）开发出世界上第一款瞬态热测试设备T3Ster。尽管T3Ster在技术上远远领先于行业中其他竞争对手，但是一开始这个设备的市场接受情况并不理想，到了2008年，全球范围内基本上也只有每年1M美金左右的销售额，也就是每年只有个位数的设备销售量。2009年，罗亚非博士加盟Mentor日本公司，潜心研究半导体瞬态热测试的应用技术。通过工程应用的大量探索，罗亚非博士创新型的提出了三维热阻模型，建立测试数据和工程应用之间的直接联系，广泛应用于日本客户的产品设计及结温预估，解决电子散热领域的技术问题。2010年，日本公司异军突起，在MicRED的全球销售中，占到了70%以上的权重，而T3Ster在日本的商业成功首先是辐射到了中国，2011年，T3Ster在中国市场销售，市场容量也呈几何级数增长（现在已经超过了日本），与此同时，全球的MicRED业务也增长显著。2014年，Mentor推出基于T3Ster技术开发的工业化产品PWT 1500A，由于技术领先，集成性和易用性等因素，迅速被认定为功率循环设备的行业标准。

  瞬态热测试技术有几个技术上的难点：

1、为了提高电压测量的精度，需要实现1MHz的高频采样，这样可以把电压的测量精度提升到16uV，也就是对于结温的测量精度是0.01度；

2、为了完整分析电子路径的散热结构，需要对半导体的结温做长时间连续的采样。而温度相对于时间是对数关系，要想得到准确可重复的测试结果，需要在对数时间轴上采集大致相等的数据量，这就要求采样设备具备连续变频的能力；

3、大电流向小电流切换时，在前面一段时间内的测量数据是测量噪声，这一段时间我们叫开关速度（和设备及半导体器件有关），很显然，这个速度越快越好，目前业内的最好水平是把这个时间缩短到50us左右。要想达到这个水平，必须要开发泄流电路。

4、为了能得到准确的加热功率，业内通常用降温法，既是现有恒定的电流加热半导体，直至达到温度饱和（此时的加热功率等于散热功率），而温度是否饱和，饱和的位置是否一致，会直接影响到最终测试结果的精度。

   还有数据同步技术，高精度K系数测试技术，瞬态数据处理算法等等，也都是瞬态热测试中所涉及到的关键技术。Mentor在高速采样，连续变频，电子开关等技术上，一直长时间处于世界领先的地位，直到鲁欧智造的出现。

   罗亚非博士离开Mentor后，选择了自主创业，在中国成立了鲁欧智造（山东）高端装备科技有限公司，自主研发国产的瞬态热测试设备。目前鲁欧智造在高速采样，连续变频等方面，已经实现了对卡脖子技术的突破，而在电子开关，热区数据高频采集等方面，基于实际的市场需求，不但实现了突破，而且实现了对原有技术的超越。

  目前的瞬态热测试设备还是一个实验室的设备，数据的物理意义和测试条件有很大的关联性，这就要求设备的使用者必须掌握一定瞬态热测试设备的工程技术。同时，大量的研发投入及高精度的测试要求，使得设备的成本居高不下。这两个因素很大程度阻碍了该项技术在工业界的推广。而JESD 51-14标准，也是对系统一维散热路径的测量，对于目前横截面积较大，Pinfin结构，及双面散热的器件，其测试结果有很大的局限性，或者说现有的测试标准，在一定程度上已经不能满足行业发展要求。

  电子器件的功率密度越来越高，对于散热技术的研究必将成为行业竞争的焦点。所以我认为，瞬态热测试设备也会在不远的将来，发生一些变化：

1、目前全球范围内掌握核心技术的公司，只有西门子（Mentor）和鲁欧智造，这个局面必将被改变；

2、数据和知识关联性提高，消灭信息孤岛；

3、热数据和其他数据之间的耦合会不断增强，多物理场下的知识通道会被建立，工程师应用会更方便；

4、热测试技术将会应用到更广阔的领域，比如，质量检测，设备运行状态监测，产品甄选等等领域；

5、设备最终向智能化方向发展，设备会越来越小，成本越来越低，而应用也越来越简单。