一種器件熱傳導無損失效分析方法及裝置與流程

文檔序號：12657118閱讀：473來源：國知局

本發(fā)明為半導體技術領域，尤其涉及一種器件熱傳導無損失效分析方法及裝置。

背景技術：

功率器件工作過程中會產生大量熱，為防止過熱燒毀，器件需具有較好地散熱性能。因此，器件的熱阻值不能超過標準要求。對熱阻超標器件需進行失效分析，且在很多情況下，失效樣品不能被破壞，只能通過無損檢測方式進行。現(xiàn)有的功率器件熱阻超標無損失效分析主要是利用X-Ray透視儀或SAM實現(xiàn)，即通過X射線或超聲波對器件進行掃描，根據(jù)X射線或超聲波在器件內各層的透射和反射情況，擬合各層形貌，以檢測器件內部各層的結構缺陷，進而確定器件熱阻超標失效原因。

然而，對于厚金屬封裝(如TO-254AA等封裝形式)的功率器件，因其管殼較厚，甚至管殼本身就包含多層結構，X-Ray透視儀或SAM不能完全穿透管殼，因此無法有效觀測器件內部各層的結構缺陷，需要進行破環(huán)性失效分析。

也就是說，現(xiàn)有技術中對于厚金屬封裝的功率器件，存在難以進行無損分析，僅能進行破壞性失效分析的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過提供一種器件熱傳導無損失效分析方法及裝置，解決了現(xiàn)有技術中對于厚金屬封裝的功率器件，存在的難以進行無損分析，僅能進行破壞性失效分析的技術問題。

一方面，本申請實施例提供了如下技術方案：

一種器件熱傳導無損失效分析方法，包括：

獲取待分析器件的結構函數(shù)曲線；

比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以確定所述待分析器件的熱阻異常層；

采用X射線電子計算機斷層掃描方法，對所述熱阻異常層進行結構圖像重構；

根據(jù)所述結構圖像重構結果，確定所述熱阻異常層的失效原因。

可選的，所述結構函數(shù)曲線，包括：積分函數(shù)曲線和微分函數(shù)曲線。

可選的，所述結構函數(shù)曲線上包括N個拐點，所述N個拐點中相鄰兩拐點間的曲線為一曲線段；所述N個拐點對應所述待分析器件的N個層間界面；所述曲線段對應所述待分析器件的結構層；N為正整數(shù)；所述比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以確定所述待分析器件的熱阻異常層，包括：按曲線段，分段對應比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以所述待分析器件的結構函數(shù)曲線上的異常曲線段對應的結構層為所述熱阻異常層。

可選的，所述結構層包括以下一種或多種的組合：芯片層、焊料層、過渡片層、絕緣片層、底座層、導熱膠層或冷卻基板層。

可選的，所述根據(jù)所述結構圖像重構結果，確定所述熱阻異常層的失效原因，包括：比對所述結構圖像重構結果和合格器件的圖像重構信息，確定所述熱阻異常層的失效原因。

可選的，所述方法應用于厚金屬封裝功率器件。

另一方面，提供一種器件熱傳導無損失效分析裝置，包括：

獲取模塊，用于獲取待分析器件的結構函數(shù)曲線；

比對模塊，用于比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以確定所述待分析器件的熱阻異常層；

重構模塊，用于采用X射線電子計算機斷層掃描方法，對所述熱阻異常層進行結構圖像重構；

確定模塊，用于根據(jù)所述結構圖像重構結果，確定所述熱阻異常層的失效原因。

可選的，所述比對模塊還用于：按曲線段，分段對應比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以所述待分析器件的結構函數(shù)曲線上的異常曲線段對應的結構層為所述熱阻異常層。

可選的，所述確定模塊還用于：比對所述結構圖像重構結果和合格器件的圖像重構信息，確定所述熱阻異常層的失效原因。

本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：

本申請實施例提供的方法及裝置，先獲取表征待分析器件各層的熱傳導情況的結構函數(shù)曲線；再根據(jù)與合格器件的結構函數(shù)曲線的比對來確定出熱阻異常層，再采用X射線電子計算機斷層掃描方法，對所述熱阻異常層進行結構圖像重構，從而確定所述熱阻異常層的失效原因，不僅解決了現(xiàn)有厚金屬封裝的功率器件難以穿透觀察，需要使用破壞分析方法的問題，還避免了通過X射線電子計算機斷層掃描方法逐層掃描的耗時和耗成本長的問題，實現(xiàn)了一種適用于厚金屬封裝功率器件的非破壞性的節(jié)約時間和分析成本的失效分析方法。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請實施例中器件熱傳導無損失效分析方法的流程圖；

圖2為本申請實施例中示例器件的管殼示意圖；

圖3為本申請實施例中示例器件的熱傳導界面示意圖；

圖4為本申請實施例中待分析器件和合格器件的積分函數(shù)曲線比對圖；

圖5為本申請實施例中待分析器件和合格器件的微分函數(shù)曲線比對圖；

圖6為本申請實施例中合格器件采用X射線電子計算機斷層掃描(X-Computed Tomography，X-CT)進行結構圖像重構的示意圖；

圖7為本申請實施例中待分析器件采用X-CT進行結構圖像重構的示意圖；

圖8為本申請實施例中器件熱傳導無損失效分析裝置的結構示意圖。

具體實施方式

本申請實施例通過提供一種器件熱傳導無損失效分析方法及裝置，解決了現(xiàn)有技術中對于厚金屬封裝的功率器件，存在的難以進行無損分析，僅能進行破壞性失效分析的技術問題。提供了一種適用于厚金屬封裝功率器件的非破壞性的節(jié)約時間和分析成本的失效分析方法。

為解決上述技術問題，本申請實施例提供技術方案的總體思路如下：

本申請?zhí)峁┮环N器件熱傳導無損失效分析方法，包括：

獲取待分析器件的結構函數(shù)曲線；

比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以確定所述待分析器件的熱阻異常層；

采用X射線電子計算機斷層掃描方法，對所述熱阻異常層進行結構圖像重構；

根據(jù)所述結構圖像重構結果，確定所述熱阻異常層的失效原因。

通過上述內容可以看出，先獲取表征待分析器件各層的熱傳導情況的結構函數(shù)曲線；再根據(jù)與合格器件的結構函數(shù)曲線的比對來確定出熱阻異常層，再采用X射線電子計算機斷層掃描方法，對所述熱阻異常層進行結構圖像重構，從而確定所述熱阻異常層的失效原因，不僅解決了現(xiàn)有厚金屬封裝的功率器件難以穿透觀察，需要使用破壞分析方法的問題，還避免了通過X射線電子計算機斷層掃描方法逐層掃描的耗時和耗成本長的問題，實現(xiàn)了一種適用于厚金屬封裝功率器件的非破壞性的節(jié)約時間和分析成本的失效分析方法。

為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細說明，應當理解本發(fā)明實施例以及實施例中的具體特征是對本申請技術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不沖突的情況下，本申請實施例以及實施例中的技術特征可以相互組合。

實施例一

在本實施例中，提供了一種器件熱傳導無損失效分析方法，如圖1所述，所述方法包括：

步驟S101，獲取待分析器件的結構函數(shù)曲線；

步驟S102，比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以確定所述待分析器件的熱阻異常層；

步驟S103，采用X射線電子計算機斷層掃描方法，對所述熱阻異常層進行結構圖像重構；

步驟S104，根據(jù)所述結構圖像重構結果，確定所述熱阻異常層的失效原因。

需要說明的是，本申請?zhí)峁┑姆椒ㄓ葹檫m用于厚金屬封裝功率器件，因為厚金屬封裝功率器件難以采用常規(guī)非破壞性分析方法來逐層分析，當然，在具體實施過程中，所述方法也可以運用于普通功率器件，或塑封器件，在此不作限制。

下面，以所述待分析器件為采用TO-254AA封裝的VDMOS器件為例，結合圖1-7來詳細介紹本申請?zhí)峁┑姆椒ǎ?/p>

采用TO-254AA封裝的VDMOS器件管殼示意圖如圖2所示。芯片通過鉛錫銀焊料與管殼過渡片燒結在一起。器件在工作狀態(tài)下主要通過熱傳導的方式散熱，其熱傳導界面示意圖如圖3所示。器件產生的熱量從結到殼傳輸需穿過芯片層、焊料層和管殼層，其中所述管殼層包含過渡片、絕緣片和底座。

首先，執(zhí)行步驟S101，獲取待分析器件的結構函數(shù)曲線。

在本申請實施例中，所述結構函數(shù)曲線，包括：積分函數(shù)曲線和微分函數(shù)曲線。所述結構函數(shù)曲線上包括N個拐點，所述N個拐點中相鄰兩拐點間的曲線為一曲線段；所述N個拐點對應所述待分析器件的N個層間界面；所述曲線段對應所述待分析器件的結構層；N為正整數(shù)。

具體來講，可以取合格器件和待分析的失效器件進行結構函數(shù)曲線對比測試，測試過程中管殼放置于冷卻基板上，且管殼與冷卻基板間涂導熱膠。測試結果如圖4和圖5所示，結構函數(shù)曲線包含圖4所示的積分函數(shù)曲線和圖5所示的微分函數(shù)曲線，兩者是相對應的。器件熱傳導路徑上各層材料熱特性是不同的，因此積分和微分函數(shù)曲線上的拐點即為各層間的界面，即圖4和圖5中，結構函數(shù)曲線上各段曲線從左到右依次代表芯片層、焊料層、過渡片、絕緣片、底座、導熱膠、冷卻基板等的熱特性。

再下來，執(zhí)行步驟S102，比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以確定所述待分析器件的熱阻異常層。

在本申請實施例中，所述比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以確定所述待分析器件的熱阻異常層，包括：

按曲線段，分段對應比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以所述待分析器件的結構函數(shù)曲線上的異常曲線段對應的結構層為所述熱阻異常層。

在具體實施過程中，所述結構層包括以下一種或多種的組合：

塑封層、芯片層、焊料層、過渡片層、絕緣片層、底座層、導熱膠層或冷卻基板層。

具體來講，從圖4和圖5的對比中可以看出，與合格器件相比，待分析的失效器件的熱阻異常層主要是焊料層。

再下來，執(zhí)行步驟S103，采用X射線電子計算機斷層掃描方法，對所述熱阻異常層進行結構圖像重構。

具體來講，由于普通的X射線從器件正面和背面均無法有效穿透，而X-CT是一種3D X射線技術，它可以從側面的不同角度穿透器件，再通過不同角度透射X射線特性的轉換和組合，實現(xiàn)器件內部某層形貌圖像的重構。

在具體實施過程中，通過X-CT進行結構圖像重構獲得的圖像如圖6和圖7所示。

再下來，執(zhí)行步驟S104，根據(jù)所述結構圖像重構結果，確定所述熱阻異常層的失效原因。

在本申請實施例中，所述根據(jù)所述結構圖像重構結果，確定所述熱阻異常層的失效原因，包括：

比對所述結構圖像重構結果和合格器件的圖像重構信息，確定所述熱阻異常層的失效原因。

具體來講，結合采用TO-254AA封裝的VDMOS器件的具體實例，在經(jīng)驗足夠的情況下，可以僅對待分析失效器件進行X-CT焊料層圖像重構；也可以對合格器件和待分析的失效器件均進行X-CT焊料層圖像重構，再通過對比來確定熱阻異常層的失效原因。

圖6為合格器件的焊料層圖像重構，圖7為待分析失效器件的焊料層圖像重構，從圖6和圖7中可以看出，合格器件的焊料層相對均勻完整，而失效器件的焊料層存在許多空洞。器件在貼片過程中，焊料過少、擠壓焊料力不足、芯片背面金屬層被氧化或污染、過渡片被氧化或污染以及貼片工藝參數(shù)不當?shù)仍蚓鶗е潞噶蠈託怏w無法被完全排出，產生焊料層空洞。

再結合理論知識，器件焊料層熱阻可由下式計算得出：R_T＝L/kA，其中，R_T為熱阻值；L為焊料層厚度；k為焊料層材料熱導率；A為焊料層熱傳導界面接觸面積。由于，空洞部位填充氣體的熱導率遠低于焊料層，熱量主要由焊料層向管殼層傳播。由于芯片焊料層存在空洞，則焊料層橫截面減小，即A減小。因此，可得出芯片焊料層熱阻增大，進而導致器件熱阻超標失效的失效原因分析結果。

具體來講，本申請?zhí)峁┑姆椒ㄍㄟ^結構函數(shù)曲線測試與X-CT圖像重構相結合的方法，精確探測厚金屬封裝熱阻超標功率器件內部缺陷層的位置和狀態(tài)?？山鉀Q傳統(tǒng)X-Ray透射儀和SAM方法無法穿透厚金屬封裝管殼的問題，且該方法屬于無損檢測分析方法，可以在不破壞器件的前提下，完成厚金屬封裝功率器件熱阻超標失效分析，確定器件失效原因和改進措施。且不需要逐層進行掃描構圖，減少了分析時間和分析成本。

基于同一發(fā)明構思，本申請?zhí)峁┝藢嵤├恢蟹椒▽难b置，詳見實施例二。

實施例二

在實施例中，提供了一種器件熱傳導無損失效分析裝置，如圖8所示，所述裝置包括：

獲取模塊801，用于獲取待分析器件的結構函數(shù)曲線；

比對模塊802，用于比對所述待分析器件的結構函數(shù)曲線和合格器件的結構函數(shù)曲線，以確定所述待分析器件的熱阻異常層；

重構模塊803，用于采用X射線電子計算機斷層掃描方法，對所述熱阻異常層進行結構圖像重構；

確定模塊804，用于根據(jù)所述結構圖像重構結果，確定所述熱阻異常層的失效原因。

需要說明的是，本申請?zhí)峁┑难b置尤為適用于厚金屬封裝功率器件，因為厚金屬封裝功率器件難以采用常規(guī)非破壞性分析方法來逐層分析，當然，在具體實施過程中，所述方法也可以運用于普通功率器件，或塑封器件，在此不作限制。

在本申請實施例中，所述比對模塊802還用于：

在本申請實施例中，所述確定模塊804還用于：

比對所述結構圖像重構結果和合格器件的圖像重構信息，確定所述熱阻異常層的失效原因。

上述本申請實施例中的技術方案，至少具有如下的技術效果或優(yōu)點：