王 敦 閆辰侃 張凱虹

（中國電子科技集團公司第58研究所 無錫 214035）

1 引言

近年來，集成電路技術(shù)的發(fā)展迅速，隨著多功能、高頻和高功耗的芯片需求不斷增加，芯片可靠性要求也越來越高，芯片主要失效形式之一是熱失效，隨著環(huán)境溫度增加，芯片內(nèi)部熱量不能及時傳遞出去，這就會造成熱量在芯片Die附近積累，溫度升高，結(jié)點溫度的升高會使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加，導(dǎo)致集電極電流增加，最終導(dǎo)致元件失效［1～3］。據(jù)統(tǒng)計，溫度過高引起微電子器件失效的幾率高達(dá)50%以上［4］。不斷增大的功率密度使得封裝設(shè)計中的熱設(shè)計工作越來越受到重視。其中熱學(xué)物理模型計算以及測定芯片熱場分布成為了半導(dǎo)體器件可靠性設(shè)計和失效分析的重要環(huán)節(jié)［5］。

本文基于國產(chǎn)和進口MCU芯片，通過建立熱阻網(wǎng)路模型仿真，并利用電學(xué)法進行驗證，系統(tǒng)分析了MCU芯片內(nèi)部溫度場分布及熱阻變化，并基于紅外攝像儀和SAM超聲設(shè)備分析了熱阻仿真與測試偏差的主要原因，為MCU芯片熱學(xué)可靠性分析奠定理論與測試基礎(chǔ)。為MCU熱學(xué)設(shè)計和測試，提高可靠性和失效分析水平提供了理論基礎(chǔ)。

2 物理模型建立與分析

2.1 MCU芯片有限元模型建立

對于MCU芯片，散熱設(shè)計主要考慮兩個熱性能參數(shù)氧化物結(jié)點區(qū)的工作溫度（簡稱結(jié)溫）TJ和熱阻Rth。熱阻代表了物體散熱的能力，芯片上的散熱方式主要是熱傳導(dǎo)，如圖1所示MCU芯片熱傳輸模型（上圖），熱量通過芯片燒結(jié)材料傳遞到外殼或者芯片基底，并進一步傳遞到周圍的環(huán)境?？筛鶕?jù)MCU芯片的結(jié)構(gòu)建立熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示MCU芯片熱阻網(wǎng)路模型（下圖）。MCU芯片的總熱阻為Rth=R1+R2+R3+R4。

圖1 MCU芯片熱傳輸模型（上）及熱阻網(wǎng)路計算圖（下）

采用ANSYS有限元分析軟件進行有限元實體模型計算，主要仿真模擬流程包括物理模型建立、參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、模擬計算以及結(jié)果優(yōu)化。最重要的是網(wǎng)格劃分方法的選擇，本文采用六面體主體法網(wǎng)格劃分［6］。本方法用于控制幾何體表面生成六面體網(wǎng)格，幾何體內(nèi)部生成四面體或錐形網(wǎng)格。對各部分采用不同的網(wǎng)格大小以控制合適的網(wǎng)格密度。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，國產(chǎn)和進口MCU芯片采用相同的網(wǎng)格劃分方法，利用單元質(zhì)量、單元縱橫比、雅可比比率和傾斜度等參數(shù)評估網(wǎng)格質(zhì)量［7］。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.2 MCU芯片熱學(xué)仿真結(jié)果與分析

圖3溫度場分布模擬圖可以得出芯片內(nèi)部具體溫度，結(jié)果如表1，在環(huán)溫35℃下，可以看出國產(chǎn)和進口MCU芯片的2D梯度熱場分布區(qū)別，國產(chǎn)芯片結(jié)溫最大值TJ為58.2℃，進口芯片結(jié)溫最大值TJ為52.0℃，國產(chǎn)和進口芯片結(jié)溫和熱阻值接近，兩種芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，主要區(qū)別在于芯片功耗和封裝的不同。由于曲線為典型的反S型曲線，固采用Logistic函數(shù)非線性回歸，進行定量分析。經(jīng)回歸分析得到的函數(shù)為［8］

圖3 2D熱場梯度分布圖

表1 國產(chǎn)和進口MCU溫度場模擬結(jié)果

MCU芯片的溫度t-距離x曲線回歸結(jié)果：

同時，由于仿真模型以及參數(shù)設(shè)置不同，一般仿真結(jié)果會存在10%左右公差［9］。

3 測試與驗證

熱阻是反映器件散熱能力的重要參數(shù)，熱阻大則表明該器件散熱不佳；熱阻小，則表明該器件散熱效果良好［10］。熱阻測試主要參照的標(biāo)準(zhǔn)有國軍標(biāo)GJB548B、國標(biāo)GBT14862、美軍標(biāo)MIL-STD 883J，主要測試方法有兩種，分別是直接測試法和間接測試法：1）直接測量結(jié)溫以確定Rth（J-R）。采用紅外熱輻射儀直接測量半導(dǎo)體芯片內(nèi)部芯片的結(jié)溫，應(yīng)去掉封閉殼體的帽或頂蓋，以暴露有源芯片或器件；2）間接測量結(jié)溫以確定Rth（J-R），給出了典型的測試結(jié)溫的電路，包括有源器件的P-N結(jié)電壓測試方法和集成電路的襯底體二極管測試結(jié)溫方法［11］。本文主要采用間接測量電學(xué)法，測試結(jié)果見表2，測試熱阻最重要的是測試K值，可以建立結(jié)溫與電壓之間的關(guān)系。K=（THi-TLo）/（VHi-VLo），THi和TLo分別是測試溫度最大和最小值，VHi和VLo分別是測試最大電壓和最小電壓值［12］，P-N結(jié)電壓受結(jié)溫和正向電流兩個因素影響。K系數(shù)熱阻測量值如圖4，可以根據(jù)K系數(shù)測試擬合曲線得出，在輸入測試電流1mA下，正向壓降與結(jié)溫呈線性關(guān)系［13］，其中國產(chǎn)K值為-2.1028，進口K值為-1.3431。

表2 結(jié)-殼熱阻（θJC）測試結(jié)果比較

圖4 國產(chǎn)與進口MCU芯片熱阻測試及K系數(shù)測試擬合曲線

結(jié)殼熱阻Rth=（TJ-TC）/P。其中TJ為結(jié)溫，TC為殼溫，P為輸入功率。TJ可以通過電學(xué)法測試得到［14］。在對芯片熱阻測試的過程中，可以得到器件的溫度隨時間變化的關(guān)系曲線，通過對該曲線進行一系列數(shù)學(xué)推理可以得出結(jié)構(gòu)函數(shù)，見圖5，國產(chǎn)樣件結(jié)殼熱阻值基本與仿真相似，均值在5.12℃/W。進口樣件結(jié)殼熱阻值偏大，均值在12.57℃/W，大約是模擬值的兩倍。影響熱阻的因素很多，主要是芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)加工工藝存在公差所致。同時，可以將國產(chǎn)樣件與進口樣件結(jié)構(gòu)函數(shù)進行比較，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線是反映半導(dǎo)體器件熱容與熱阻關(guān)系的曲線，正常器件與失效器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線會在失效部位發(fā)生分離，因而通過分析結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的走向及分離點，可以確認(rèn)器件的失效位置，提前對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效或不良做出判斷，進而可以篩選出失效或不良器件，這也是這項工作的主要目的［15］。下面通過超聲掃描和連續(xù)穩(wěn)態(tài)顯微紅外測溫技術(shù)，進一步對芯片內(nèi)部進行分析。

圖5 國產(chǎn)和進口MCU芯片熱阻與結(jié)構(gòu)函數(shù)測試結(jié)果

4 失效分析

結(jié)合國產(chǎn)和進口MCU芯片熱阻設(shè)計與測試驗證，可以確定芯片失效模式，為了進一步確認(rèn)進口芯片樣件熱阻偏大的原因，了解芯片內(nèi)部具體熱分布情況，結(jié)合超聲掃描和連續(xù)穩(wěn)態(tài)顯微紅外測溫技術(shù)，對進口芯片熱阻值偏差進行分析。由圖6超聲SAM掃描測試結(jié)果所示，進口芯片內(nèi)部基板發(fā)生分層，導(dǎo)致熱傳輸受到阻礙，導(dǎo)致接觸電阻過大和散熱性能差，引起器件電學(xué)參數(shù)的漂移，使得熱阻值增大。這將會嚴(yán)重影響著器件的質(zhì)量，降低器件的可靠性［16］。同時，我們采用連續(xù)穩(wěn)態(tài)顯微紅外測溫技術(shù)對器件在連續(xù)加電壓的過程中，對DIE表面溫度場分布進行采集，由圖7可以看出，在環(huán)境溫度35℃下，DIE表面邊緣出現(xiàn)紅色高溫區(qū)域，最高溫度65℃左右。綜合分析，熱阻失效要歸因于芯片基板分層，導(dǎo)致熱傳輸途徑受阻礙，降低了器件的熱可靠性。

圖6 國產(chǎn)和進口MCU芯片SAM超聲掃描測試結(jié)果

圖7 進口MCU芯片紅外攝像儀測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文基于國產(chǎn)和進口MCU芯片進行研究，探討了熱學(xué)可靠性設(shè)計與測試的方法。系統(tǒng)地研究了MCU芯片的熱學(xué)特性及熱學(xué)參數(shù)的原理。并基于紅外攝像儀Infra-scope和SAM超聲設(shè)備分析了熱阻仿真與測試偏差的主要原因，為MCU芯片熱學(xué)可靠性設(shè)計及測試提供了一定的參考依據(jù)。