双极型晶体管热阻测试方法.doc

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1、ICS03.220.20R 80DB6101西安市地方标准DB 6101/T 2020双极型晶体管热阻测试方法Themal Resistance Test methods for bipolor transistor（征求意见稿）2020- - 发布2020 - - 实施西安市市场监督管理局发布目 次前言III1 范围12 引用文件13 术语和定义14 测试系统15 测试条件26 测试程序57 数据的处理88 应记录的数据10附 录 A (资料性附录) 稳态热阻的计算公式11附 录 B (资料性附录) 瞬态热阻加热脉宽及测试结果示意图13B.1 推荐的加热脉宽13B.2 瞬态热阻测试结果示意图

2、13前言本标准依据GB/T 1.1-2009给出的规则起草。本标准由西安市市场监督管理局提出。本标准由西安市市场监督管理局归口并监督实施。本标准主要起草单位：西安卫光科技有限公司、中电科西安导航技术有限公司、西安西岳电子技术有限公司。本标准主要起草人：王嘉蓉、张文胜、薛红兵、赵辉 。本标准首次发布。联系信息如下：联系单位：西安卫光科技有限公司联系电话：029-89180991联系地址：西安市电子二路61号邮政编码：710065双极型晶体管热阻测试方法1 范围本标准规定了双极型晶体管（以下简称器件）的稳态热阻和瞬态热阻的电学测试方法。本标准适用于双极型晶体管的稳态热阻及瞬态热阻的测试。本标准不适

3、用于微波晶体管的稳态热阻和瞬态热阻的测试。2 引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 4023 半导体分立器件和集成电路 第2部分：整流二极管GB/T 4587 半导体分立器件和集成电路 第7部分：双极型晶体管GB/T 11499 半导体分立器件文字符号GJB 548B 微电子器件试验方法和程序3 术语和定义GB/T 4023、GB/T 4587、GJB 548和GB/T 11499中确立的以及下列术语和定义适用于本标准。3.1稳态热阻（Rth） steady

4、 state thermal resistance 器件加热时间足够长，在芯片发热与管壳散热达到热平衡后，结温与参考点温度差值与加热功率之比。稳态热阻的计算公式参见附录A。3.2瞬态热阻（Zth） transient state thermal resistance器件加热后，芯片发热穿过芯片与底座的焊接层但尚未达到底座时的热阻为瞬态热阻。通过测量热敏参数的变化量来确定器件热通道上不同界面的焊接质量。瞬态热阻的测量可以定量分析由加热引起的热敏参数变化量，从而确定芯片、烧结层、底座的空洞。由于芯片和底座热时间常数的差异，可以通过选择加热脉宽使之大于芯片而小于底座的时间常数，来进行瞬态热阻的测量。

5、对于不同封装，加热脉宽均一般在1ms400ms的范围内选取。4 测试系统4.1 通则本测试系统适用于器件结到壳的稳态热阻的测试。结到环境的稳态热阻及结到引线的稳态热阻测试可参照本系统，测试条件应与使用环境一致。测试系统由测试仪和恒温平台两部分构成，测试仪实现被测器件的加热功率的施加及与计算相关的几个电参量（加热电流、加热电压及热敏参数电压等参量）的测试。恒温平台在热阻测试中，用于控制并恒定被测器件的参考点温度。热阻测试仪应能够读取恒温平台的当前温度。在瞬态热阻测试中，可以给器件直接加电测试，无需恒温平台控制壳温。4.2 测试仪NPN型器件测试仪的基本测试电路示意图见图1，PNP件测试仪的基本测

6、试电路见图2。K IE12IHIM-+-+VBEVCC+-C E B图1 NPN型晶体管稳态热阻和瞬态热阻测试电路图K IE12IHIM+-+-VBEVCC-+C E B1图2 PNP型晶体管稳态热阻和瞬态热阻测试电路图4.3 测试仪的组成测试仪的各组成部分应符合以下要求：a) K为电子开关，为避免被测器件在转换期间冷却，其转换时间应足够短，在几微秒内；b) 加热恒流源IH，在加热周期的整个过程中，应保持在2%的误差内；c) 电压测量电路中VBE的电压测量的分辨率应至少为0.1 mV；d) 加热电压源VCC，在加热周期的整个过程中，应保持在2%的误差内。4.4 恒温平台恒温平台应符合以下要求：

7、a) 恒温平台热电偶应选用T型（铜-康铜）热电偶或其它等效热电偶，热偶丝直径不大于0.3mm。热电偶结点熔焊成球形，不得采用锡焊或缠绕。热电偶及恒温平台温度测量系统的准确度分别应为0.5 ；b) 热电偶应尽可能紧贴在芯片中心下面的底座位置上，热电偶结点应与被测器件外壳直接机械接触，热电偶与器件底座的接触压力应能够调节；c) 能够使器件底座最高点温度控制到1 范围内。5 测试条件5.1 加热电流在条件尚未确定前优先选取样品的极限电流（ICM），在后面步骤确定了加热功率（PH）、加热电压（VH）之后，可反过来得到加热电流（IH）。5.2 加热电压可选择样品极限功率（PCM线与安全工作曲线（PSB）

8、交点对应的电压，在无法确定安全工作曲线时，可根据样品的极限功率（PCM）、极限电流（ICM）的比值作为加热电压（VH）。5.3 测试电流测试电流（IM）应保证同时满足如下两个条件：a）测试电流应足够小，保证此电流作用下，芯片无明显发热现象。一般测试电流（IM）应不大于加热电流（IH）的2%；b）在I-V特性曲线中，测试电流IM应超过拐点对应的电流值，见图4。对于大多数功率晶体管，测试电流（IM）通常可选10mA。VBE（V）mA（IM）图3 I-V特性曲线示意图5.4 测试时序测试过程的时序图见图4。测试时序为：a)对被测器件施加测试电流（IM），测量加热前的热敏参数电压（VBE）；b)读取参

9、考点温度（TCi）；c)施加加热电压和加热电流，开始对器件加热。在加热脉冲即将结束时测量加热电压和加热电流；d)加热脉冲结束后，延迟一定时间（tMD1）和（tMD2）（见图3），进行两次热敏参数（VBE）的测量（要求测试电流IM应提前施加到被测器件上，在VBE的测量前达到稳态，并保持到两次VBE的采集完成之后）。必要时可利用两次VBE的测量结果反推出加热脉冲结束时VBE的数值。IHIMtHtVBEVBEVMH1VMH2ttMD2tMD1图4 稳态热阻和瞬态热阻测试过程的电流、热敏参数电压时序图5.5 测试延迟时间（tMD）由于测试设备状态切换开关的转换时间以及电荷的存储效应等诸多因素，使得在去

10、除加热功率瞬间进行正确的热敏参数电压（VBE）采集无法实现。结温在去除加热功率后逐渐冷却，而热敏参数电压的采集往往需要去除加热功率后一定延迟时间才能进行，因而撤去加热功率瞬间的热敏参数电压VBE只能靠推算得到。通常在热敏参数电压（VMH）与延迟时间的开方（tMD1/2）关系曲线中，除去最初非热转换瞬变过程占主要地位的部分外，两变量成线性关系，因而可使用公式（1）推算去加热功率瞬间的热敏参数电压。（）式中：VMH0反推出的撤去加热功率零时刻的热敏参数电压，V；VMH1、VMH2分别为撤去电压后延迟tMD1、tMD2时刻的所测热敏参数电压。注：要求tMD2与tMD1之差不小于100s，且tMD2不

11、大于250s,见图5。tMD1tMD1tMD1VMH0VMH2VMH1VMH1 图5 去除加热功率瞬间的热敏参数与时间关系曲线器件撤去加热电压后热敏参数(VBE)采集的第一点延迟时间取50s或75s或100s，在实测热敏参数(VBE)与反推的去电零时刻热敏参数(VBE)两者所计算的热阻结果，其差值小于5%时，可直接使用实测热敏参数(VBE)用于热阻计算，但应在结果中注明第一点的延迟时间；其差值大于5%时，则应使用反推到去撤去热功电压零时刻的热敏参数(VBE)用于热阻计算。6 测试程序6.1 测试步骤6.1.1 瞬态热阻测试6.1.1.1 加热脉宽（tH）的确定6.1.1.1.1 瞬态热阻测试时

12、应首先确定加热脉宽的大小。推荐使用方法1确定加热脉宽。6.1.1.1.2 方法1：样品数量较多时，可进行多个样品（不加散热器）的测试，以多条曲线开叉点对应的加热脉宽为准。样品数至少为10只。测试步骤：a)选择脉宽从10ms至200ms，以大约0.5倍加热脉宽步进，即：tH（n+1）=1.5tH（n），对多个样品逐一进行瞬态热阻测试，每次测试前需保证样品充分冷却。记录各样品的测试数据与对应的加热脉宽。加热脉宽的推荐条件及测试结果示意图见附录B。b)对比各样品数据，若样品的瞬态热阻存在差异，在开始出现差异，且随脉宽增大，差值逐步提高的脉宽处即可确定为样品的瞬态热阻测试的加热脉宽，并可终止测试。6.

13、1.1.1.3 方法2：对比样品在有无散热器情况下的瞬态热阻与加热脉宽曲线，以两曲线开叉点对应的加热脉宽为准。测试步骤：a)首先将被测样品与散热器的接触面均匀涂敷导热硅脂，紧固在散热器上（要求散热器有一定热容量）。b)选择脉宽tH从10ms至200ms，以大约0.5倍当前加热脉宽步进，即：tH（n+1）=1.5tH（n），逐步增大加热脉宽进行瞬态热阻测试，每次测试前需保证样品充分冷却。记录瞬态热阻数据与对应的加热脉宽。c)仍使用此样品在不加散热器的情况下，重复第b）中规定的操作。d)对比相同脉宽下，第b）与c）所测数据，绘制瞬态热阻加热脉宽曲线如图6，在图中可以发现：两组曲线开始时重合，随加热

14、脉宽增大逐步开叉，开叉点对应的加热脉宽即可确定为本样品的瞬态热阻测试的加热脉宽。若两个或两个以上样品数据确定的加热脉宽大小不等时，以加热脉宽小者为准。样品数量至少为3只。热阻（/W） 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700脉冲宽度 （ms）带散热器；无散热器图6 同一样品加散热器与不加散热器瞬态热阻与加热脉宽曲线对比（示意图）6.1.1.2 安全工作曲线的确定确定器件安全工作区线的操作步骤如下：a)加热电流取器件的极限电流（ICM），以样品参数表中给定的极限功率（PCM）与极限电流（ICM）的比值作为加热电压，按6.1.1.

15、1 确定的加热脉宽，对器件进行瞬态热阻测试，记录测试结果数据（热敏参数不使用反推出的数值，以实测的热敏参数(VBE)用于瞬态热阻计算）。b)保持加热功率不变，逐步提高加热电压（步进可取当前加热电压值的20%），记录瞬态热阻测试结果。c)对比电压提高后所测结果与前面瞬态热阻结果的差值，在测试结果明显增大超出正常值5%时，对应的加热电压作为安全工作曲线PSB与PCM等功率曲线交点对应的临界电压。继续提高加热电压，降低加热功率，重复前面b）和c）的操作，即可确定安全工作曲线的其它临界电压点。6.1.2 稳态热阻测试6.1.2.1 通则6.1.2.1.1 测试对象工作中需加装散热器的器件；测试变量为结

16、到管壳热阻Rth（j-c）。6.1.2.1.2 器件与散热装置的结合器件底座应均匀涂敷导热硅脂，涂敷时厚度不应超过0.2 mm；在器件与散热装置之间施加足够的结合压力，以保证接触良好。6.1.2.1.3 热电偶及测量位置热电偶选用T型（铜-康铜）热电偶或其它等效热电偶，管壳底座的测温点应选取器件底座的最热点（芯片中心正下方位置）。热电偶压力应能够调节大小，压力大小约为1 N2 N。6.1.2.2 测试条件6.1.2.2.1 结温Tj测试中加热条件保证器件结温（Tj）达到低于器件最高额定结温（TjP ）25 （即Tjmax-25）。6.1.2.2.2 热敏参数（VBE）抽取15只样品放入温度为T

17、jP5K的控温装置（如高温箱、油槽、恒温台）内，使其达到热平衡；然后测量每只样品在选定的IM下的VBE值。在测得的15个数据中，去掉一个最大值，去掉一个最小值，取剩余13个数据的平均值即为结温TjP时热敏参数VBE值。6.1.2.2.3 参考点温度TC和加热功率PH参考点温度和加热功率应按以下原则选取：a）参考点温度TC优先选用75，调整加热功率（PH）（最大不超过PCM），使被测器件的结温达到TjP5K（测量VBE电压并反推出撤去加热电压瞬间的值，使其达到6.1.2.2.2中所测得的VBE值），此条件下测得的热阻作为最终结果；b）在执行a）操作中，若加热功率（PH）提高至极限加热功率（PCM

18、），结温仍不能达到TjP，则应根据TC为75时的测量数据所计算的结温与175的差值，相应调高参考点温度，使结温Tj达到TjP；但参考点温度（TC）不得高于125。 6.1.2.2.4 加热脉宽的确定在器件施加加热功率开始，参考点温度由设定温度开始迅速上升，经恒温平台冷却，最终使样品底座最热点达到热平衡。达到热平衡所需时间与加热功率有关，与被测样品的热阻有关。推荐的加热时间不少于3 min。因此，器件在某加热功率下的加热脉宽应以底座最热点达到热平衡所需的最短时间为加热脉宽下限。在首件测试时，可先将加热脉宽适当定长些，进行一次热阻试测。观察器件加电过程中恒温平台的当前温度显示，记录平台温度恢复到设

19、定温度所需的时间。考虑到某一型号、同批次器件的个体差异，最终所确定的加热脉宽可比记录的时间延长20%30%。6.2 K值的确定6.2.1 通则热敏参数温度校准系数K测量有两种方法，外部加热测试法和聚交特性快速测试法。6.2.2 外部加热测试法首先应保证此处热敏参数（VBE）的测量中，测量电流（IM）、集电极-基极电压（VCB）应与热阻测试中的热敏参数电压测量的状态相同。用温度可控的加热器给器件加热，测量并记录发射极-基极正向电压和相应的管壳温度。要注意测量时被测器件应与加热器之间达到热平衡，此时所测壳温便是样品结温。a)步骤1：在Tj1测试IM作用下的VBE1；b)步骤2：在Tj2测试IM作用

20、下的VBE2；c)步骤3：求K值，按公式（2）计算：（）式中：Tj1在加热脉冲施加前器件的结温，；Tj2在撤去加热脉冲时刻器件的结温，；VBE1器件的结温为Tj1时测量到的器件热敏参数（VBE）的数值，V；VBE2器件的结温为Tj2时测量到的器件热敏参数（VBE）的数值，V。为保证所得K值的计算准确度，推荐Tj1、Tj2分别取接近60和150的值。在给定的器件型号类型中，所有器件的K值变化是比较小的。通常的程序是从器件批的1012个样品上完成K值的校准、确定平均值和标准偏差。若标准偏差小于或等于平均值的3%，批中所有器件就可以使用其平均值。否则，各器件就应使用各自的K值。6.2.3 聚交特性快

21、速测试法试验表明，在测量电流IM为10mA的条件下，PN结的正向电压-温度曲线的线性部分外推至绝对零度（-273.15）时，将聚交于1267mV，偏差一般不超过2%。若样品在IM为10mA时所测热敏参数符合此特性，可使用此点与加热前所测壳温、热敏参数电压，快速求得温度校准系数K，以提高热阻测试效率。按公式（3）计算：（）式中：VBE（Tc）在器件的壳温TC时测得的热敏参数电压，V；TC器件的壳温，K。7 数据的处理7.1 通则由于瞬态热阻与稳态热阻测试的目的不同，瞬态热阻多用于对器件热特性的横向对比，以及对批生产中工艺稳定性的评估；而稳态热阻则用于器件综合热特性的评价。下面分别针对瞬态热阻与稳

22、态热阻测试列出了几种采用不同方法定义的接收判据。7.2 瞬态热阻的合格判据7.2.1 VBE判据对同一型号、同批次的被测器件，其K系数和VBE几乎相同，在相同的加热电压、加热电流下测试时，建立单一的VBE判据是适用的。但对不同承制方的产品或同批次产品加热条件不同，使用此判据将无法单纯通过结果的大小判断器件的优劣。器件详细规范应列出下列测试条件和测量参数。a)IE：单位为安培（A）；b)VCB：单位为伏特（V）；c)IM：单位为毫安（mA）；d)tH：单位为秒（s）；e)tMD：单位为微秒（s）；f)Tc：单位为摄氏度（）；g)VBE：最大极限值，单位为毫伏（mV）。7.2.2 Tj判据Tj是K

23、和VBE的乘积。此判据未考虑器件间可能存在的功耗不同。7.2.3 CU判据CU是一个相对比较单位，其值为VBE除以VBE，用以将瞬态热阻归一化比较。由于VBE可能随设计和尺寸不同而变化，因此对不同器件在加热期间的功耗可能不同。同一承制方同批次器件间差异可能很小，但不同承制方之间差异可能很大。由于VBE的不同，VBE除以VBE也不同，因此判据将随功耗不同而变化。7.2.4 KCU判据这是个组合的方法，既考虑了K系数也考虑了器件之间的不同功耗。7.2.5 Zthj-x判据使用绝对值以避免其它方法带来的问题。瞬态热阻按公式（4）计算： （）式中：K热敏参数温度校准系数，/V；IH加热电流，A；VH加

24、热电压，V。7.3 瞬态热阻接收判据的确定可以采用下列不同方法确定瞬态热阻的接收/拒收判据，即确定接收和拒收的界限：a）确定器件之间最大容许结温的离散值。Tj的离散度需要满足可靠性指标，由于Tj与VBE之间关系约为0.5 K/mV，该指标可以转化为采用VBE或CU值来确定接收/拒收判据。为更好地使用此方法，器件的Tj与VBE之间关系的精确值需要校正。可以采用6.2方法确定K值，通过公式（5）和公式（6）求得结温： Tj=KVBE；()Tj=TA+Tj。()式中：TA环境温度或参考点温度，。注：在大功率器件的瞬态热阻测试中，环境温度TA通常等于壳温TC。b） 在统计有效的样品中，VBE或CU值的

25、分布应该是正态分布。要确定VBE、CU或Zthj-x最大极限值的通常方法是采用它们的平均值和标准差（）进行计算。它们的上限分别按公式（7）、公式（8）和公式（9）计算：VBE+X=（）；()CU+X=（）；()Zthj-x+X=（）。()式中，X值取3，（）、（）和（）分别为平均值。7.4 稳态热阻的合格判据对指定点（管壳）的热阻，必须保证加热时间tH足够长达到热平衡。在热阻测试加功率前后应测量壳温，热阻按公式（10）计算： （）式中：K热敏参数温度校准系数，/V；IH加热电流，A；VH加热电压，V。8 应记录的数据8.1 通则瞬态热阻和稳态热阻测试中应记录下列数据，但允许根据设备情况进行调整

26、。8.2 产品详细规范和测试报告中的数据下列测试条件应在产品详细规范和测试报告中给出：a） IM：测试电流，单位为毫安（mA）；b） PH:加热功率（Tj为Tjmax），单位为瓦（W）；c） IH：加热电流（Tj为Tjmax），单位为安培（A）；d） VH：加热电压（Tj为Tjmax），单位为伏特（V）；e） tH：加热脉宽，单位为秒（s）；f） tMD：测试延迟时间，单位为微秒（s）；g）TC：参考点温度（Tj为Tjmax），单位为摄氏度（）；h） Tjmax：最高额定结温，单位为摄氏度（）。8.3 测试报告中记录的数据8.3.1 测试数据应记录下来测试数据：a） VBE：最高额定结温Tjm

27、ax时的正向压降，单位为毫伏（mV）；b） VBEi：初始正向电压，单位为毫伏（mV）；c） VBEf：最后正向电压，单位为毫伏（mV）；d） TCi：初始参考点温度，单位为摄氏度（）；e） TCf：最后参考点温度，（对稳态热阻），单位为摄氏度（）；f） 记录VBE值。注：一些测试仪器可以提供VBE，以代替VBEi 和VBEf，这是可接受的替换。8.3.2 K值的校正8.3.2.1 测试条件应规定下列测试条件：a） IM：测量电流，单位为毫安（mA）；b） 初始结温，单位为摄氏度（）；b） 初始VBE电压，单位为毫伏（mV）；d） 最后结温，单位为摄氏度（）；e） 最后VBE电压，单位为毫伏（

28、mV）。8.3.2.2 K值的计算应按公式（2）计算K值。附 录 A (资料性附录)稳态热阻的计算公式稳态热阻按公式A.1计算：（A.1）式中：器件的结到参考点的热阻，K/W；Tj 结温，；TX热阻测试的参考点温度，；注：当参考点为管壳时，参考点温度用TC表示，当参考点为环境时，参考点温度用TA表示；当参考点为引线时，用TL表示。PH在加热期间对被测器件施加的加热功率，W；注：PH=IHVH=ICVCE +IMVCE；由于测量电流的功率可忽略不计，因此，可近似PH=IHVH=ICVCE。IH加热电流，A；IC集电极电流（直流），A； VH加热电压，V；VCE集电极-发射极（直流）电压，V。在加

29、热前器件处于热平衡状态，结温与壳温相等，于是热阻可采用公式A.2计算：(A.2)式中：Tj1在加热脉冲施加前器件的结温，；Tj2在撤去加热脉冲时刻器件的结温，；TCi在加热脉冲施加前的器件参考点的温度，；TCf在撤去加热脉冲时刻器件参考点的温度，。双极型晶体管的电学法热阻测试，是采用发射极基极正向电压的变化量来推算结温变化的。由于双极型晶体管的hFE（双极型晶体管的共发射极放大倍数）比较大，在功率计算中使用IE取代IC，加热功率可近似为：PHIEVCE，从而得到热阻近似计算公式A.3：(A.3)式中：IE发射极（直流）电流，A；VMHIM偏置下的热敏参数（VBE）电压，V；VCE发射极-集电极

30、间的电压，V；VMH在热阻测试加热后与加热前的热敏参数电压之差，V；K（VTC）热敏参数（VBE）温度校准系数，即在一固定的IM值时，VBE相对结温Tj变化的系数，K/mV；TC在热阻测试加热后与加热前的参考点温度之差，。在加热电压较高时，由于集电极-基极电压（VCB）远大于热敏参数（VBE），VCE近似等于VCB，加热功率可进一步近似为：PHIEVCB，从而得到热阻近似计算公式A.4：(A.4)式中：VCB集电极-基极（直流）电压，V。值得注意的是在低电压、大电流工作时，热敏参数（VBE）往往会大于1V，同时VCB较低，由VCB替代VCE可能会带来较大的计算误差。附 录 B (资料性附录)瞬态热阻加热脉宽及测试结果示意图B.1 推荐的加热脉宽瞬态热阻测试时所选择的加热功率达到如下水平认为是合适的：一般使VBE在15 mV80 mV范围内，该范围近似对应于结温10 至50 变化。通常情况下，加热脉宽选10 ms50 ms可适用于15W以下的大多数功率器件；50 ms100 ms可适用于15 W以上200 W以下的大多数器件。B.2 瞬态热阻测试结果示意图瞬态热阻测试结果示意图见图B.1。此时热量传到键合区良好的芯片键合疑似有问题的芯片键合稳态热阻热量传到管壳芯片发热s图B.1 瞬态热阻测试结果示意图