袁偉剛 趙承賢 沐運(yùn)華 范慶慶 鄧濤 鄭金燦

（珠海格力新元電子有限公司 廣東珠海 519110）

利用二極管VF值與結(jié)溫的關(guān)系評(píng)估大功率半導(dǎo)體器件的固晶可靠性

袁偉剛 趙承賢 沐運(yùn)華 范慶慶 鄧濤 鄭金燦

（珠海格力新元電子有限公司 廣東珠海 519110）

大功率半導(dǎo)體器件的散熱性能直接影響其可靠性，功率芯片固晶一般采用焊錫焊接提高散熱性能。本文通過(guò)測(cè)試二極管的伏安特性與結(jié)溫的關(guān)系，重點(diǎn)研究溫度對(duì)PN結(jié)的影響，此影響主要表現(xiàn)為隨著溫度的升高，二極管的正向?qū)▔航礦F會(huì)線性減小，利用此特性來(lái)評(píng)估大功率半導(dǎo)體器件封裝工藝中固晶可靠性。

二極管；PN結(jié)；伏安特性；導(dǎo)通壓降；固晶焊錫

圖1 同樣的正向電流IF下，不同的PN結(jié)導(dǎo)通壓降

圖2 在不同正向電流IF下的正向?qū)妷篤F的關(guān)系曲線

1 引言

當(dāng)前，電子設(shè)備的失效形式主要表現(xiàn)為熱失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過(guò)規(guī)定值所引起的，隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)。所以，功率器件熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接決定了產(chǎn)品是否成功，良好的熱設(shè)計(jì)是保證電子設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。熱設(shè)計(jì)包括器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)、封裝的熱設(shè)計(jì)、管殼的熱設(shè)計(jì)以及功率器件實(shí)際使用中的熱設(shè)計(jì)。而固晶焊錫質(zhì)量與封裝的熱設(shè)計(jì)密切相關(guān)，并且對(duì)產(chǎn)品散熱性具有一定的影響。封裝工程中，一般只對(duì)固晶焊錫的氣泡率采用X-ray進(jìn)行抽樣檢查，還是會(huì)存在焊錫不良的風(fēng)險(xiǎn)。因此，利用二極管的正向?qū)▔航礦F與溫度的關(guān)系，來(lái)評(píng)估功率器件在封裝過(guò)程中焊錫的質(zhì)量，并篩選出焊錫不良品。

圖3 正向?qū)▔航蹬c溫度的關(guān)系

圖4 熱阻測(cè)試原理圖

2 功率器件熱性能的主要參數(shù)

功率器件的熱應(yīng)力主要來(lái)自兩個(gè)方面，一方面來(lái)自功率器件內(nèi)部，另一方面來(lái)自功率器件外部[1]。如果功率器件的散熱能力差，器件內(nèi)部的熱量由于積聚產(chǎn)生的耗散越大，導(dǎo)致器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度以及結(jié)溫的升高，使得器件可靠性降低，安全工作區(qū)縮小，影響器件性能。表征功率器件熱能力的參數(shù)主要有結(jié)溫TJ和熱阻Rth。當(dāng)結(jié)溫TJ高于器件外部環(huán)境溫度Ta時(shí)，器件內(nèi)部熱量由于與外界存在溫差產(chǎn)生擴(kuò)散熱流。為了保證器件的可靠性，必須規(guī)定一個(gè)最高允許的結(jié)溫TJMAX。TJMAX的大小是根據(jù)器件的芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定的。功率器件的散熱能力通常用熱阻表征，記為Rth，熱阻越大，則散熱能力越差。熱阻又分為內(nèi)熱阻和外熱阻：內(nèi)熱阻是器件自身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和截面積以及加工工藝等有關(guān)；外熱阻則與管殼封裝的形式有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，管殼面積越大，則外熱阻越小。金屬管殼的外熱阻明顯低于塑封管殼的外熱阻。當(dāng)功率器件的功率耗散達(dá)到一定程度時(shí)，器件的結(jié)溫升高，系統(tǒng)的可靠性降低。

圖5 試驗(yàn)電路圖

圖6 焊錫氣泡率有差異的樣品

3 PN結(jié)導(dǎo)通壓降與溫度的關(guān)系

PN結(jié)電壓受兩個(gè)因素影響，一為正向電流IF，二為結(jié)溫TJ[2]。PN結(jié)電壓隨著正向電流IF的增大而增大，隨著結(jié)溫TJ的增大而減小。如圖1所示，在同樣的正向電流IF下，PN結(jié)導(dǎo)通壓降VFF與VFI之間的差異，就是由于PN結(jié)的結(jié)溫不同而引起的。根據(jù)電壓與結(jié)溫之間的關(guān)系，電壓之間的改變就可以轉(zhuǎn)換為結(jié)溫之間的變化。

理想PN結(jié)的正向電流IF，反向飽和電流IS和正向壓降VF存在如下近似關(guān)系：

其中：e為電子電荷，K為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

IS與PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)，其表達(dá)式如下：

式（2）中：A，B是與面積、摻雜濃度有關(guān)的常數(shù)；ug0為絕對(duì)零度時(shí)，PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底價(jià)帶的電勢(shì)差，也就是禁帶寬度。

將式（2）代入式（1），且兩邊取對(duì)數(shù)可得：

式（3）稱為PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。若IF常量，則正向壓降只隨溫度變化。在式（3）中，除線性項(xiàng)u1外還包含非線性項(xiàng)uin?？梢宰C明uin所引起的誤差可以忽略不計(jì)，即：

綜上所述，在恒流供電的條件下，即IF為常量，PN結(jié)的VF對(duì)T的關(guān)系取決于線性項(xiàng)u1，從式（4）中可看出正向壓降幾乎隨溫度的升高而線性下降，這就是PN結(jié)測(cè)溫的理論依據(jù)[3]。

圖2是一種功率二極管在不同正向電流IF下的正向?qū)妷篤F的關(guān)系曲線。

圖7 正向?qū)娏鱅F

圖8 測(cè)試結(jié)果

圖3 是一種PN結(jié)在一定正向電流IF下的正向?qū)妷篤F與溫度關(guān)系曲線。

4 通過(guò)二極管的VF評(píng)估焊錫質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)

圖4是測(cè)試的簡(jiǎn)易原理圖。其中：

①為PN結(jié)施加足夠小的正向電流IM，使PN結(jié)產(chǎn)生正向?qū)▔航礦F1；IM的值很小，IM×VF1非常小，此時(shí)PN結(jié)發(fā)出的熱量可以自然散失，因此可以認(rèn)為此時(shí)的PN結(jié)溫度與環(huán)境溫度一致；

②以恒定的功率PW為PN結(jié)施加足夠大的正向電流IF，使PN結(jié)產(chǎn)生很大的正向?qū)▔航?，并且大量發(fā)熱，熱量無(wú)法及時(shí)散失使其溫度不斷升高，正向?qū)▔航惦S之不斷降低，經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的時(shí)間PT，PN結(jié)溫度上升到某合適的值；

③將正向電流IF撤除，PN的正向?qū)▔航狄搀E然降低，隨著熱量的散失，PN結(jié)不斷冷卻，正向?qū)▔航狄搽S之增加，經(jīng)過(guò)一個(gè)極短的時(shí)間DT，測(cè)量出PN結(jié)的正向?qū)▔航礦F2。

從而求得PN結(jié)的熱阻Rth：

可見(jiàn)，Rth的大小與PN結(jié)所在環(huán)境散熱良好程度有直接關(guān)系，當(dāng)散熱足夠好時(shí)，Rth=0，散熱越差，Rth越大，因此我們可以通過(guò)Rth來(lái)判斷PN結(jié)所在散熱環(huán)境的好壞；我們可以通過(guò)Rth來(lái)判斷焊接功率器件的焊料的氣泡率的高低。即，使用一個(gè)氣泡率符合要求的樣品標(biāo)定出其Rth值，在相同條件下對(duì)同類樣品進(jìn)行測(cè)試，如果其Rth明顯高出標(biāo)定品（高出5%），證明其氣泡率過(guò)高。

圖9 隨著測(cè)試頻率的增加，VF測(cè)試波形

表1 不同的IF下測(cè)得的VF值

表2 正向?qū)▔航礦F測(cè)試數(shù)據(jù)

5 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)一種智能功率模塊的續(xù)流二極管，額定電壓為600V，額定電流為10A，10A下的正向?qū)妷鹤畲鬄?.2V。試驗(yàn)電路圖如圖5所示。

試驗(yàn)對(duì)象為規(guī)格一樣，焊錫氣泡率不一樣的兩個(gè)樣品，一個(gè)氣泡率為小于3%，另一個(gè)氣泡率為大于5%，如圖6所示。

試驗(yàn)時(shí)，將兩個(gè)樣品放置在散熱環(huán)境一致的條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試初始電流為1A，脈寬為20ms；第二階段電流為10A，脈寬為30ms；第三階段電流為1A，脈寬為10ms。所施加正向?qū)娏鱅F如圖7所示；試驗(yàn)結(jié)果波形如下圖8所示；正向?qū)▔航礦F測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2測(cè)試數(shù)據(jù)可得，焊錫不良可導(dǎo)致續(xù)流二極管的散熱性變差，導(dǎo)致樣品1（氣泡率1.132%）與樣品2（氣泡率5.526%）在同樣的正向電流下具有不同的正向?qū)▔航礦F。

另，隨著測(cè)試頻次的增加，VF測(cè)試波形也有相應(yīng)的變化，如圖9所示。

由圖9（a）（b）（c）可得，隨著測(cè)試頻率的增加，模塊溫度上升，續(xù)流二極管正向?qū)▔航礦F值也相應(yīng)的下降。在經(jīng)過(guò)10A的電流后再施加1A的電流時(shí)，正向?qū)▔航礦F明顯比第一次通1A的正向電流時(shí)的正向?qū)▔航狄〉亩?。充分?yàn)證了二極管PN結(jié)正向?qū)▔航翟陔娏饕欢ǖ臈l件下，隨著溫度的升高而下降的特性。

6 結(jié)論

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，智能功率模塊續(xù)流二極管的正向?qū)▔航礦F與溫度在正向電流IF不變的情況下，具有線性關(guān)系，并隨著溫度的升高而有所下降。此特性運(yùn)用與評(píng)估封裝工藝中固晶焊錫質(zhì)量的好壞完全適用。若焊錫質(zhì)量比較差，續(xù)流二極管由于熱量積聚，導(dǎo)致結(jié)溫升高，正向?qū)▔航禍p小。相反，則正向?qū)▔航祷緵](méi)有變化。在實(shí)際運(yùn)用中，大功率半導(dǎo)體器件如果固晶焊接質(zhì)量差，散熱能力降低，則模塊的可靠性就會(huì)有所下降，利用二極管VF值與溫度的關(guān)系可評(píng)估大功率半導(dǎo)體器件的固晶可靠性。

[1] 王建石. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[2] 陳水橋. PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究和應(yīng)用[J]. 物理實(shí)驗(yàn), 2000,20（7）：7～9.

[3] Jason chonko.Using Forward Voltage to Measure Semiconductor Junction Temperature[Z]. KeithleyInstruments Inc.,2006.

Using the relationship forward voltage of diode and the junction temperature is used to evaluate the die bonding reliability of high power semiconductor devices

YUAN Weigang ZHAO Chengxian MU Yunhua FAN Qingqing DENG Tao ZHENG Jincan
(ZHUHAI GREE XINYUAN ELECTRONIC CO.,LTD. Zhuhai 519110)

The thermal performance of high power semiconductor devices directly its reliability, the die bonding of power devices use solder welding to improve the heat dissipating property. In this paper, testing the relationship between the volt ampere characteristic and junction temperature of the diode, to study the effect of temperature on PN junction. The influence mainly is with the increase of temperature, the forward voltage drop of the diode decreases linearly. Use this feature to evaluate the die bonding reliability of packaging technology for high power semiconductor devices.

Diode; PN junction; Volt ampere characteristic; Forward voltage; Die bonding