晶體管熱譜學的基礎研究.pdf

1、可靠性分析技術是20世紀50年代發(fā)展起來的一門綜合性技術，到了20世紀70年代已經步入成熟的階段。如今，伴隨IT時代的到來，微電子器件的復雜程度不斷增加，使用環(huán)境日益嚴酷，及其在電力系統(tǒng)中的地位不可替代的原因，微電子器件的可靠性分析越來越受到人們的重視。對于高壓直流送電、高速列車和電動汽車、相控陣雷達、半導體激光器等等電力系統(tǒng)中的功率半導體器件來說他們，在耗散功率時，結溫分布一般是不均勻的。器件發(fā)熱均勻性和溫度分布的均勻性、以及芯片峰值

2、結溫Tp的高低是衡量器件熱電性能優(yōu)劣的重要因素，是影響其穩(wěn)定性、可靠性乃至壽命的根本要素，對整機的性能以及系統(tǒng)的壽命都有不可忽視甚至決定性的影響，因此功率半導體器件溫度的可靠性分析，對于國民經濟的發(fā)展，及其在航空、軍事等很多領域的重要性越來越不可動搖。
　　 當前，測量微電子器件溫度分布最準確的方法是紅外熱像法，但這種方法的缺點明顯：一、紅外熱像儀價格昂貴；二、該方法一般應用于半成品器件的可靠性分析，對于暗箱式封裝成品器件的測量

3、則需要解剖后再拍攝紅外熱像圖，因此這種測量是破壞性的，甚至有的是破壞了也不能測量；三、使用紅外熱像法獲得的器件的熱像圖來進行可靠性分析沒能專門針對于器件的有源區(qū)作出相應的定性和定量的分析。所以紅外熱像法不能用作常規(guī)測量。電學方法既可以測量成品器件，又可以測量半成品器件，其對器件的測量是非破壞性，無損傷的，因而被廣泛采用為技術標準方法，國際電工委員會IEC標準里采用的測量晶體管溫度的電學方法，簡稱為標準電學方法(StandardElect

4、rical Method)，標準電學方法的可操作性好，方便易行，比較和判斷被測器件的差異非常簡單，只要比較熱阻值的大小就可以了，所以至今流行于世。但是，標準電學方法的缺點也是是顯而易見的：抹煞和掩蓋了結溫分布的不均勻性，有時容易出現(xiàn)誤判和漏判的情況。
　　 本文研究的核心內容--晶體管熱譜分析方法是一種使用純電學方式探測芯片溫度分布的方法，它繼承了電學方法測量溫度的優(yōu)勢，對器件的測量是非破壞性、無損傷的，既可以測量半成品也可以測

5、量成品器件；同時它又具備了紅外熱像法的關鍵優(yōu)點，可以獲取器件的峰值結溫、溫度分布的不均勻性和不均勻度信息。熱譜分析方法，通過測量器件有源區(qū)的相關參數(shù)，結合相對應的數(shù)理模型計算出器件的溫度分布，給出結溫值和有效面積，可以很好的反映器件的有源區(qū)溫度分布情況。該方法有望解決幾十年來一直困擾世界的科學難題，使得純電學方法探測器件溫度分布成為可能，對微電子器件溫度可靠性分析具有十分重大的意義和價值。
　　 第一章緒論，指明了紅外熱像法和標

6、準電學方法用來進行微電子器件可靠性分析的不足，詳細說明國際電工委(IEC)發(fā)布的世界各國普遍采用的標準電學方法自身存在且無法克服的問題。介紹了純電學方法探測微電子器件溫度以及溫度分布均勻性的研究背景和當前研究的現(xiàn)狀以及晶體管熱譜分析方法取得的進展。
　　 第二章“PN結器件V-I-T本底數(shù)據(jù)的測量與擬合校驗”，創(chuàng)新了本底數(shù)據(jù)的測量方法；使用肖克來修正函數(shù)擬合本底數(shù)據(jù)使本底數(shù)據(jù)有了質的飛躍；同時發(fā)現(xiàn)，單對數(shù)坐標系里隨電流的增大而增

7、大的規(guī)律，此規(guī)律是PN結I-V特性的真實反映。
　　 第三章“PN結小電流攀峰效應”，本章中突破原有的研究水平，采用新的實驗樣品，用純粹的實驗手段再次證明小電流過趨熱效應是確實存在的科學規(guī)律；同時，對小電流過趨熱效應有了更加深入的認識，并且明確給出小電流攀峰效應的定義；小電流攀峰效應可以解釋"Ts因Im的不同而不同，小電流測算出的結溫高，大電流測算出的結溫低”的現(xiàn)象；小電流攀峰效應對半導體器件可靠性分析具有重要的作用和意義。

8、r>　　 第四章“基于子管并聯(lián)模型的熱譜分析”本文創(chuàng)新性的根據(jù)子管并聯(lián)模型，把PN結器件加載工作時結溫分布不均勻的客觀情況用模型的方式加以重現(xiàn)，并用熱譜分析方法對溫度分布不均勻情況下的I-V數(shù)據(jù)進行熱譜分析：比較熱譜分析的結果、標準電學方法分析結果及Ptl00測量結果，檢驗了熱譜分析軟件，同時指出熱譜分析方法分析得到結溫及有效面積AE的科學性和實用性。
　　 第五章對整個研究生階段的科研工作和成績進行了總結，展望了熱譜分析方的