GB T 14862-1993 半导体集成电路封装结到外壳热阻测试方法.pdf

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1、中华人民共和国国家标半导体集成电路封装结到外热阻测试方法Junction-to-case thermal resistance test methods of packages for semiconductor integrated circuits 内用范围本标准规定了半导体集成电路封装结到外壳热阻的测试方法。本标准适用于半导体集成电路陶毒、金属、塑料封装结到外壳热阻的2 引用标准GB/T 14113 半导体集成电路封装术语GJB 548 微电子器件试验方法和程序3 术语、符号、代号3. 1 术语3. 1. 1 热测试芯片thermal test chip 为表征集成电路封装的热特性而设计

2、的芯片。3. 1. 2 被测器件device under test 装有热测试芯片供测量封装热阻的微电子器件。3. 1. 3 结温Tjjunction temperature Tj 表示微电路中主生部分的半导体结的温度。3.1.4 加热功率PHheating power PH 施加在器件上以产生结到参考点温度差的功率。3. 1. 5 温敏参数TSPtemperature-sensitive parameter TSP 与被测结温相关且可对温度进行校准以检测所需结温的电特性。3. 2 符号、代号3. 2. 1 RBjR:结到参考点热阻3. 2. 2 RBjC:结到外壳热阻3. 2. 3 RBjM

3、:结到安装表面热阻3. 2. 4 T R:参考点温度3.2.5 T MC:校准温度3.2.6 V MH:热敏参数该参数在测试电流(M)和相应的加热功率(PH)所产生的结温下测量。3.2. 7 V MC:温敏参数值该参数在测试电流(M)和规定的校准温度(TMC)下测里。技术监督局1993-12-30批准G/T 1 4862 - 93 。1994-10-01实G/T 14862 93 温度控制器主散热器液体循环器图1温度可控的散热装置示意图4.3.4 液体槽装置液体槽装置由温度控制器、液体循环器和液体槽组成。典型的温度可控液体槽如图2所示。它们能保持规定参考点的温度在预定测量值的士0.50C。被测

4、器件安装在液体槽内，槽内液体应不断地搅动，以保证所需的温度稳定性。由于这种工作流作为无限大散热器在参考点外壳对液体(环境)的温度将小，即小于或等于200C。若外壳对液体的温差大于200C时，由于封装与液体界面上的液体层温度梯度有较大的变化，将给测试精度和重复性带来困难。外壳对液体的温差可通过增大液体流速和体承受的功率密度来降低。测试时被测器件的安装应不影响热传向液体，对于带引线的器件，其引线取向应不干扰热向液体的传递，并且不影响由封装中功耗所产生的热流的流动。为了减少引线的导热，应使用线径。.125mm导线，将被测器件插座连接到专用插座架上。被测器件的亮温可用紧贴在外壳上的热电偶来测定而不能假

5、定为液体温度。使用的液体在250C温度下热导率至少为O. 06 W / (m OC)，合适的冷却液是惰性氟里昂液体和硅油。温度控制器液体槽液体循环器图2可控的液体槽装置示意图4.4 测试程序4.4. 1 试样准备按附录A要求选取适当的热测试芯片、井装配成待测热阻的微电子器件。GB/T 1 4 862 93 4.4.2 壳温Tc的为了测量被测器件的热阻，壳温应在可触及的外壳表面温度最高的部位进行测量。确定此参考点时，被测器件应工作在无风和无外加散热器的环境。通常此参考点位于芯片正下方的封装底部的外表面上，即在从芯片到散热器或外界环境的热流主通路上。图3表示陶程封装芯腔向上和向下两种情况的考点位置

6、。对于封装底部外表面附有整体散热器的封装，其壳温参考点应位于散热器表面与芯片背面相对应处，如图4所示芯片陶瓷封装壳温参考点(a)芯腔向上的陶瓷封装芯片壳温参考点陶瓷封装. . - . .一一 .-. . _. . -. . . 印制板b)芯腔向下的陶瓷封装图3测量壳温的参考点位置先温参考点陶瓷封装 , . - . . - _ . . - 印制板整体散热片芯片. . . . 图4带有整体散热器的陶题封装壳温测量的参考点位壳温Tc测量时，被测器件应按要求安装，以使壳温保持在规定值。(通常Tc选取60C)。应将热偶紧贴在芯片正下方的器件封装表面，为此可利用导热环氧树脂。当发现热偶球不能直接紧贴到外壳

7、上时，可把热偶球焊到直径为2.5mm，厚度为0.2mm镀铜合金困片的一面，然后用一薄层粘胶将镀铜合金圆片的另一面粘到外壳上要测的位置，并使圆片和封装外壳保持一平行间隙。4.4.3 安装表面温度TM的测安装表面温度是在被测器件的主要装表面的热电偶来测定。图5所示为一种面正下方测定的，的安装。安装底座(主散热固定在(或靠近)的铜表面应热器的安，以防氧化。GB/T 14862 93 在安装底座上打孔，以安装热电偶。使热电偶引线处于导热粘合剂或焊料紧固到该安装底座上，同时要特别注意使热和被测器件的分界面应用导热脂或粘合剂涂覆。外壳温度区域的正下方，建议热电偶用结周围的空气间隙为最小。在安装底座芯片.:

8、.气EZzazt-h号J层导热脂导热粘合剂或焊料散热器图5安装表面温度测量4.4.4结温矶的测4. 4. 4. 1 温敏参数TSP温度系数的测量(校准)温敏参数的温度系数是通过将被测器件置于恒温装置或液体槽装置中进行外部加热，并使其在通过某一恒定的测试电流下，测量TSP随参考点温度的变化关系而获得的。校准中的参考点温度范围应功率测试(见4.4. 4. 2条)中涉及的温度范围，测试电流一般选定为使TSP随整个给定范围内的温度上升而线性下降，而且使该电流在硅和金属接触点上所产生的热可忽略不计。为了确定最佳的TSP校准或测试电流，应作出所需校准温度范围内两端温度点上的VMc-loglM曲线。然后在这

9、两条VMc-1oglM曲线上的线性段选择最佳测试电流，测试电流的范围一般取o.055 mA，具体值取决于TSP时被测器件的工作条件和规范值。当测试中使用特定测量电流时，TSP温度系数的值VMclTMC可借助于VMc-TMC的校准曲线来计算，为确定此系数，至少采用三个点来确定电压与温度曲线。4. 4. 4. 2 V MC , V MH和PH的加热功率试验按两步进行，并保持参考温度TR在预定值不变。第选在校准过程中所用值(见4.4. 4. 1条)的条件下测VMC值;第二步使而测试电流1M仍保持不变，测VMH值。TSP，即将测试电流1M器件在加热功率PH下工作，加热功率PH的选择应使在测量VMH时结

10、到参考点的温差大于或等于20C，同时，为避免影响芯片上温度敏感元件与加热电路间的绝缘性，被测器件也不应工作在过高的加热功率下。另外，在封装引和压焊线上的功耗过大将导致芯片有源区上耗散功率超出预定范围，因而应避免加热功率大于封装内连线系统的设计值。PH的测量应根据选用的芯片决定，但精度应保在上述测试条件下，记录下列数据:a. 电参数(VF、VEB或其他合适的TSP); b. 结z用下式计算:。Tj = TR + (VMH一VMC) (V McI T MC)一1GB/T 14862 93 式中:TR=Tc(或TM); C. 壳温Tc或安装表面温度TM;d. 加热功率PH;e. 安装方法(包括被测器

11、件安装时所受压力和热电偶附着方法或液体温度)。4.4.5 封装热阻R9jR的计根据4.4. 1 , 4. 4. 2 , 4. 4. 3和4.4.4条的程序测出矶，便可计算出封装的结到参考点的热阻。R9jR (Tj一TR)/PH式中:RejR = ReJc (或RejM)。5 测试报告应包括下列内容:a. 封装情况，包括热测试芯片，壳温测量位置，主散热器结构以及安装方法;b. 所用的测试条件Fc. 1IJ!IJ试电压、电流和热测试芯片的加热功率pd. 每种测试条件下的记票交叉描;e. 热特性文字符号的含义;f. 测试结厅、。A1 GB/T 14862 93 附录A试芯片(补充件)本附录规定了热测

12、试芯片的设计要求及样本数据格式。A2 设计要求A2.1 电阻条或晶体管。应尽可能的利用有效芯片面积，使测得的能表示出来用的封装面积。键合区和划线区总宽度为0.25mm(见图Al)，采用的芯片尺寸范围能使封装热阻作为芯片尺寸的函数来测定。基本单元的推荐尺寸为1.90 mmX 1. 90 mm，其功耗容量为7.5-10 W，热源区应超过该基本单元有效芯片面积的85%。基本单元按阵列形式排列最大可扩展到11.40 mmX 11. 40 mm见方的芯片。O.25mm 1.90mm a基本单元热测试芯片.热敏元件加热元件区a键合区A2.2 热源间距GB/T 14862-93 DDD O.50mm 1.9

13、0mm b阵列式热测试芯片图Al热测试芯片件即PN结所需的热源间距应不大于0.50mm，热敏元件应位于芯片表面的中心。对于一个以标准单元排列而成的芯片来说还要求敏感元件靠近基本单元的一个角，并在两相邻角之间，即近无源区或位于无源区内。在合适时，对于象评价芯片粘接及研究不均匀功耗的附加热敏元件也可包括在内。所有热敏元件及与它们相连的金属化通道都必须与热源电绝缘。A2.3 热测试芯片厚度应为O.46 JO. 56 mm。A2.4 热测试芯片的设计原则应使其功耗极限值和所涉及的封装热阻的范围相符，其中包括合理设计金属化图形。对阵列式芯片，当将加热电流施加于内部芯片时，由封装至内部芯片的键合引线最短，

14、要求由芯片表面至外壳至少产生具有200C温差的能力。为此，对于安装在各种基片如氧化铝、氧化镀等)上的芯片，每边为1. 90 mm的基本单元至少应能耗散功率7.5W。G/T 14862 93 A2.5键合区合区每边长应等于或大于0.1mm。热敏元件和加热元件不能连接到公共键合区上。对于阵列式芯片，键合区的位置及大小应便于基本单元间的键合，并使从封装到芯片的键合连线减至最短。A2.6 热敏二极管或二极管桥式元件它们应能用于热测试芯片的整个加热功率和温度范围，至少结温升高到130C时，热测试芯片仍能正常工作。A2.7 阵列式及按比例增大的热测试芯片。阵列式热测试芯片见图A1b，按比例增大的热测试芯片

15、见图A2。加热元件(阴影区)为芯片内外许多串并联结的晶体管或电阻条，应使加热元件如实际电路那样尽量布满阴影区(符合集成电路版图布局设计规则)。1.锁)mm3.80mm O.25mm 。.25mm区件件元元区敏热合热加键-mNUa 图A2按比例增大的热测试芯片A3 样本A3. 1 一般说明热测试芯片为双极型或MOS型硅芯片，它具有金属化的上表面或金属化上、下表面和加热用的晶体管或电阻器(金属膜、多晶硅、离子注入电阻或扩散电阻)，以及用作热敏元件的以二极管、二极管桥式出现的晶体管e-b结、二极管PN结。该芯片是为表征集成电路封装的热特性而设计的。A3.2 机械说明3. 标明热敏元件、加热元件、芯片

16、上互连及键合区位置尺寸的芯片图，标出所有键合区，并标明必须接到最正或最负外加偏置的键合区，说明为了正常工作是否需将芯片底面(背面)予以电连接。b. 芯片厚度。c. 所有必要的操作及芯片测试注意于只。d. 在芯片表面键合区及底部安装面所采用的金属化层类型。e. 所采用的钝化类型和任何特殊的装片环境要求，说明最佳的芯片粘接及引线键合程序。t 各种芯片阵列的引线键合图，并指明加热功率的极限血。A3.3 最大额定A3. 3. 1 GB/T 14862 93 a. I汇怦幅度范围Tstg:, J C。b. 工作结温范围Tj:.- OC。A3. 3. 2 全工作温度范围的电压加到加热晶体管集电极或加热电阻

17、上的直流电压(为材底二极管的反向击穿电压所限制)VH:V。A3. 3. 3 全工作温度范围的电流到加热晶体管集电极或加热电阻上的直流电流IH:A。A3.4 电特性A3. 4. 1 元件(二极管)a. 在TA=一一一一及VR-一一_v时的反向漏电流IRmA。b. 加到热敏PN结上，并保证其温度系数为线性的正向测量电流范围IM= mA。c. 仕重重大测量电流和TA-250C条件下，正向压降VM=V。A3. 4. 2 加热元件(晶体管或电阻)a. PA = 250C时在最大集电极电压和集电极电流下，晶体管加热元件的正向电流传输比hFE 。b. TA 250C时，电阻加热元件的电阻RH00 A3.5 补充材料芯片的最大功率容量与芯片的粘接及引线有关，当芯片安装在到下列电特性:Tc=250C时的最大额定功率PHW。 本标准由中华人民共和国机械电子工业部提出。本标准由全国集成电路标准化分技术委员会封装工作组制定。本标准由上海无线电七厂、上海无线电十九厂、清华大学微电子学研本标准主要起草人叶曾达、方立明、贾松良。资封装中时，对加热元件可得。