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《山东大学》 2007年
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微电子器件热谱分析方法的研究

朱阳军  
【摘要】: 使用电学方法探测微电子器件的峰值温度以及温度分布的不均匀性和不均匀度,几十年来一直是困扰微电子学领域的科学技术难题。微电子器件中的PN结势垒器件、肖特基势垒器件、场效应器件、半导体发光器件等,这些器件发热均匀性和温度分布的均匀性,以及其对于半导体器件的参数的稳定性、品质的可靠性以及器件、整片集成电路乃至整机和系统的寿命都有不可忽视甚至决定性的影响,其对于航空、军事等很多领域的重要性也是不可动摇的。微电子元器件的温度均匀与否是影响其热学性能、电学性能、可靠性乃至寿命的重要因素,人们对这方面的研究越来越深入。 当前,测量微电子器件温度分布最准确的方法是红外热像法,即对芯片拍摄红外热像图。然而这种方法一般应用于半成品器件的可靠性分析,对于暗箱式封装的成品器件的测量则需要解剖后摄像,因此这种测量是破坏性的,甚至有的是破坏了也不能测量,所以红外热像法不适合作为常规测量方法。而电学方法既可以测量成品器件,又可以测量半成品器件,其对器件的测量可以是非破坏、无损伤的,因而被广泛采用为技术标准方法。IEC标准里采用的测量器件温度的电学方法,简称为标准电学方法,该标准电学方法假设芯片温度分布均匀为前提,规定整个芯片的温度由一个统一的温度值来代表,这个值可以称之为标电结温。标准电学方法的优点是可操作性好,方便易行,比较和判断被测器件的差异非常简单,只要比较一个参数(热阻)的大小就可以了,所以至今流行于世。但标准电学方法的缺点也是显而易见的,即抹煞和掩盖了结温分布的不均匀性,有时可能会出现误判和漏判的情况。 因而,研究探索一种方法同时具有电学方法的非破坏性无损伤探测的特点,而又能像红外热像法那样可以探测器件的温度分布而不是单一温度值,便成了非常有意义而又同时具有极大实用价值的研究。但是从上世纪70年代美国国家标准局的D.L Blackburn开始提出一种电学方法探测器件峰值结温的方法设想,到上世纪90年代北京工业大学的吕长志、王明珠、高光渤等人在Blackburn论文的基础上的继续深入研究,这期间也还有其他科研工作者从事这个领域的研究,但都因为其方法存在的种种局限性而无法继续深入,最终的结果也不理想而没有得到推广。90年代中期,山东大学苗庆海教授等人发现了小电流过趋热效应,并在此基础上找到了攻克该世界难题的突破口,经过多年来的研究取得了突破性进展。本文中的研究内容正是基于攻克该世界技术难题的研究目标,在此研究背景下而展开的。文中所呈现的热谱分析方法正是这种使用纯电学方式探测器件温度分布不均匀性和不均匀度的方法。 晶体管热谱分析方法是一种使用纯电学方式探测芯片温度分布不均匀性和不均匀度的方法,它继承了电学方法测量温度的优势,即对器件的测量是非破坏性、无损伤的,既可以测量半成品也可以测量成品器件,同时它又具备了红外热像法的关键优点,即可以获取器件的峰值结温、温度分布的不均匀性和不均匀度信息。而且热谱分析方法在探测温度分布信息方面还有优于红外热像法的地方,因为红外热像法虽然可以获得整个芯片的温度信息,对于温度分布情况一幕了然,但是基于这种方法的可靠性判断缺乏必要的定量分析,尤其是针对器件的有源区;而热谱分析方法,通过测量器件有源区的相关参数,结合相对应的数理模型计算出器件的温度分布,给出相应的温度和对应的有效面积,这是专门针对器件有源区进行定性定量分析的结果。而且,电学测试方法响应速度较快可以测试器件的瞬态结温,而红外热像法响应速度较慢对于瞬态结温的测量则不如电学方法。红外热像法由于是测量器件芯片表面的温度,对于浅表面结的器件由于有源区到表面温度梯度较小其测量结果相对准确,但是对于较深表面结的器件当纵向存在较大温度梯度时其测量结果则不再真实可靠,然而对于电学测试方法,其测试电流正是通过器件有源区,因此它可以很好的反映器件的有源区温度情况,其测量结果相对可靠。因此在对器件进行可靠性分析判断方面,使用电学测试方法的热谱分析方法优于红外热像法,更优于传统的标准电学方法,可以提供更准确可靠的信息。 在第一章绪论里,介绍了使用电学方法探测微电子器件温度以及温度分布均匀性的研究背景和当前的研究现状以及本文选题的目的和意义。首次对标准电学方法所测结温即标电结温的物理意义进行了研究探索,并新辟途径采取了特殊的试验方法来论述半导体器件里几个温度的不等式关系。 在第二章“热谱曲线里”,从半导体器件的红外热像图出发,专门针对器件的有源区,通过定量和定性的分析得出了温度分布谱线,并首次将这类图形与光谱曲线进行类比,将其定义为热谱曲线。半导体器件的红外热像图虽然给出了整个器件的温度分布信息,但是没有针对器件有源区进行定量和定性的分析,除了峰值结温特别有用以外,对器件有源区的结温缺乏便于直接应用的数据及其分析结果。因此,本章中使用独自编写的“红外热像图热谱分析软件”,根据比色法的原理,可以对任意选定的区域进行统计分析获取相关温度以及相关分布数据。通过套用编写的针对不同器件芯片的模板,选定器件的有源区,然后根据比色法对热像图中的选择区域进行了定量和定性的分析,统计出有源区内的所有温度值以及各温度值所占整个有源区的比例,进而给出了晶体管发射区的热谱曲线和发射区一维温度分布曲线。一维温度分布曲线简明扼要地给出了整个发射区的结温分布情况,由该曲线可以直接读取发射区的峰值结温和最低结温,还可以计算出平均结温。晶体管热谱曲线是表示晶体管结温不均匀性的一种比热像图简单明晰的新方法。本章中的热谱曲线是通过模仿光学的方法而得来,即温度的不均匀性和不均匀度均来自热像图,但是它却给后面的使用纯电学方法提供了验证的依据,即从热像图导出的热谱曲线也应该是从电学方法求索的热谱分析最终要得出的结果。 在第三章“小电流过趋热效应”中,分别在模拟假设的结温分布和实际的结温分布中,通过理论和试验两方面验证了热谱分析方法的最基本理论之一—小电流过趋热效应。小电流过趋热效应在90年代中期被发现,并在后来被应用到利用双电流法判断结温分布不均匀性,但是一直没有得到完善系统全面的证明。本章研究内容中,首次针对实际结温分布中的小电流过趋热效应,从理论和试验两方面进行了全面的证明。 沿用上一章的研究方法,从实际的晶体管红外热像图中获取其热谱曲线,然后根据其温度和相应的归一化面积建立子管并联模型,并在此基础上通过理论计算和实验验证,得出结果吻合一致,进而证明了小电流过趋热效应在PN结势垒中的真实存在。晶体管在耗散功率时,结温分布一般不均匀。在晶体管子管并联模型的基础上,经过实验和理论计算分别在模拟结温分布和实际温度分布的基础上验证发现:结温分布不均匀时,高温区的电流密度大于低温区的电流密度;测试电流越小,高温区与低温区电流密度的比值越大,电流越集中在高温区,且集中区域的面积随着测试电流的减小而缩小,我们将这种现象称为小电流过趋热效应。利用这一特性可以研究晶体管结温分布的不均匀性,计算结温分布的不均匀度,对半导体器件可靠性分析具有非常重要的意义。 第四章“晶体管热谱分析方法”是本文研究内容的重点,介绍了基于子管并联模型和等温环模型基础上的晶体管热谱分析方法。小电流过趋热效应、MQH算法、Ebers-Moll模型是热谱分析方法算法的基础理论。MQH算法是由山东大学苗庆海教授在多年热谱分析方法的研究中总结提出的,它是热谱分析方法基本算法的关键,也从理论和试验上得到了证明:Ebers-Moll模型将PN结势垒器件中的双极晶体管简化的关键,将复杂的双PN结问题简化为单PN结的二极管模型进行分析。然后,介绍了晶体管热谱分析方法的最基本试验数据—本底数据,即晶体管I-V-T数据。在温度可调的高精度恒温装置里,高速采集多阶梯恒流所对应的温敏参数,进而获得较宽温度区间内的I-V-T特性曲线簇,它是晶体管最基本的物理属性,是最重要的热学特性。本底数据是包含了热导、热容、串联电阻、注入系数等等分布参量的综合结果,比D.L.Blackburn的方法可信度高。 本章中详细介绍了热谱分析方法的基本算法和零时刻温敏参数的较合理的回归处理。在此基础上通过基于标准电学方法的BJ2984瞬态热阻测试仪、基于热谱分析方法的“军用半导体器件可靠性分析仪”、红外热像仪的联机试验,三种方法探测晶体管的结温情况,其结果表明:标准电学方法则随着功率的增大,其与红外热像法的结果差距越来越大,即其结果越来越偏离真实情况,而热谱分析方法探测峰值结温和有效面积方面一直与红外热像法基本吻合。这说明热谱分析方法可以准确可靠地探测峰值结温、结温分布不均匀性和不均匀度,其相对传统标准电学方法和红外热像法的优势注定将最终取代他们而成为晶体管结温的常规主流测量方法。 在第五章“晶体管实时测量和实时热谱分析方法的研究”中,首次成功解决了半导体器件实时测量方法的实施,并且,首次将热谱分析方法用于实时测量中进行实时地探测结温分布的不均匀性和不均匀度。实时测量半导体器件结温方法是,在加热的同时,不改变加热状况的情况下,把加热电流直接作为测量电流从而测量出晶体管的结温。解决了国际标准IEC 60747-7热阻测量部分提到的关于大电流下温敏参数测不准的问题,把加热电流作为测量电流从而实现了真正的实时测量。在实时测量期间快速小幅度更改加热电流成阶梯电流,采集对应的温敏参数即可以用于热谱分析,从而实时地获得结温分布的不均匀性和不均匀度信息。该方法可应用于半导体芯片焊接质量和安全工作区的无损伤检测,稳态寿命和功率老化试验的结温控制,更新热阻测量方法和仪器,在线测量,机载测量,评价装备和系统的可靠性和寿命等场合,具有十分重大的意义和实用价值。 在第六章“温敏元器件的热谱分析方法”中,在晶体管热谱分析方法成功实施应用的基础上,首次通过横向研究探索将其拓宽延伸到其他具有温敏特性的元器件领域,比如温度传感器领域,肖特基势垒器件,场效应晶体管,LED发光器件等等。本章中主要针对温度传感器领域里的铂金电阻温度计,微电子器件里的肖特基势垒器件等做了热谱分析方法的可行性研究。首次论证了铂金电阻温度计每次探测返回的单一温度值的物理意义,它并非是探测区域的平均温度,其物理意义尚不明确。然后在建立了子电阻串联模型,并在此基础上通过理论推导分析热谱分析方法的可行性。 对于微电子器件里的肖特基势垒器件,通过理论证明了该势垒中小电流过趋热效应的存在,因此类似与PN结势垒器件,只要结合相应的物理模型,针对该类器件的热谱分析方法就可以成功实施应用。本章首次提出了等效晶体管模型,由于该模型具有较好的通用性和适用性,因此使得热谱分析方法在微电子器件中的拓宽延伸应用得到了保障。 热谱分析方法将大大提升温度传感器探测温度的分辨率和准确度,为半导体器件的可靠性分析使用更便利的方法获取更丰富、更科学、更可靠、更准确的器件有源区温度分布信息。 第七章对整个研究生阶段的科研工作和成绩进行了总结,也展望了热谱分析方法的前景和未来发展趋势,并对以后的研发工作提出了几点内容和要求。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN401

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1 朱阳军;微电子器件热谱分析方法的研究[D];山东大学;2007年
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