馮士維：為信息時代的“心臟”測溫

文/龐貝　毛艷玲

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馮士維：為信息時代的“心臟”測溫

文/龐貝毛艷玲

人物簡介

馮士維，工學博士、教授、博士生導師，北京工業大學微電子學院執行院長。國家科委國際合作項目和教育部留學基金評審專家，入選北京市科技新星計劃、“百千萬人才工程”國家級人選、享受國務院政府特殊津貼。

主要研究方向為微電子器件及光電子器件可靠性物理、新型半導體器件和技術、半導體光電子學等。主持和作為主要成員完成國家自然科學基金、北京市基金、總裝備預研基金、國防科工委、北京市科委等縱向研究課題二十多項，主持與企業合作研究橫向課題十多項。獲北京市及省部級科技進步獎4項、發明專利23項，獲國家發明博覽會金獎1項。發表論文200余篇。

信息時代，與我們生活息息相關的一切信息產品都離不開這個心臟——“芯片”，然而芯片的熱損耗卻令人頭疼。如何讓芯片在可承受的溫度內工作，保持“心臟”的健康“跳動”，工程師們都在殫精竭慮。

馮士維與他的研究團隊新型半導體器件及可靠性研究室在這一領域先聲奪人，研究出“半導體芯片溫升測量與熱阻構成測試技術”、“器件溫度特性快速獲取方法和技術”和“半導體芯片表面溫度分布均勻性無損檢測評價方法”等,以特殊而敏銳的“嗅覺”監控并預測芯片工作溫升，避免芯片遭受高溫下性能失效的滅頂之災。我們為此采訪了馮士維教授。

記者：“半導體芯片結溫測量和熱阻構成無損檢測方法”的主要研究內容是什么？

馮士維：經過本項目的研究，建立起了通過器件本身電學參數無損獲取芯片的工作結溫，并通過對瞬態溫升過程的測量以及理論算法，提取出從結溫至大氣環境不同材料部分對溫升貢獻和熱阻構成。基于這些數據進一步檢測、判斷半導體器件芯片溫度不均勻性及芯片有效粘接熱接觸面積的方法，以及基于該方法開發的實驗設備，為半導體器件設計、工程應用等領域提供關鍵技術支撐。

目前，已實現了基于電學溫敏參數法的LED（發光二級管）、VDMOS（硅基場效應功率器件）、LD（半導體激光器）、MESFET（金屬半導體場效應晶體管）、HEMT（高電子遷移率晶體管）器件的結溫測量及熱特性分析儀。支持瞬態和穩態熱阻測試，以及熱不均勻性分析的功能，并在GaAs（砷化鎵）MESFET器件進行了熱不均勻性的測量分析。

這些技術一個明顯的應用，就是利用熱阻峰值譜的移動，快速、有效確定芯片粘接材料的退化，大大改進了傳統的考核粘接材料熱疲勞特性的功率循環方法。以熱疲勞老化過程中監測器件芯片粘接部分熱阻的退化作為失效判據，使實驗方法的物理意義更加明確。我們利用此方法研究目前LED封裝產業中最常用的金錫共晶和銀漿粘接材料的熱疲勞特性，并提出了一種遞歸掃描LED陣列溫度不均勻性的方法，研制了可以在工藝生產線上使用的LED熱阻篩選儀。

該技術在電子設備系統級散熱優化方面也得到了擴展應用，實現了對軍用微波射頻功率系統模塊、組件散熱性能的優化，大大降低了系統由于溫升過高引發帶來的不可靠性因素。

記者：相關工作取得了哪些代表性成果？

馮士維：這些工作共取得了四項較為突出的成果。

首先，完全自主研發出國際上較為先進的熱阻構成結構函數方法，通過對測量的半導體器件瞬態溫升響應曲線進行數學算法處理，有效獲取熱阻構成的峰值譜，可以獲取器件有源區瞬態及穩態溫升，以及不同材料部分的熱阻構成。以此技術，分別研發出了LED、LD、MESFET、VDMOS，GaN基和GaAs基HEMT器件的熱阻測試儀，在獲取有效數據的延遲時間等方面達到了國內領先，與國際知名商用半導體器件封裝熱特性測試儀器設備水平相當，廣泛用于功率器件芯片粘接材料的功率循環考核。

馮士維（中）指導學生

其次，進一步分析器件溫度不均勻性方法，以及功率循環考核芯片粘接質量方法。相對于傳統紅外熱像法、X射線、超聲波等方法，對半導體器件完全無損，不需要暴露芯片表面，整個測量過程僅涉及對器件進行電學操作及數據記錄，是一種非常理想的無損檢測手段，適用于生產線應用及實驗室科研、可靠性考核應用。并形成了專利“一種測量半導體器件內部熱接觸面積的方法”（專利號：200710179493.x）。同時將該測量技術擴展至系統級電子設備的散熱特性優化，以及特種結構如行波管熱阻的測量（專利號：201510753767.6）。

第三，研究出快速測量器件參數溫度變化系數的方法和技術。傳統的器件參數隨溫度變化的測量是采用恒定環境溫度下測量參數，再改變溫度測量器件參數，每一個溫度點恒溫時間至少10—15分鐘。為保證精度，多溫度點測量花費時間就會更長，一條參數隨溫度變化曲線花費幾個小時是很正常的事。我們發明了一種快速線性溫升環境，使得測量器件電學參數時間僅為小于500秒，大大提升了測量效率。該技術重復性好、精度高，適用于半導體器件溫度系數的快速測量。形成專利“一種快速測量半導體器件電學參數溫度變化系數的方法和裝置”（專利號：201410266126.3）。

第四，將溫升測試技術應用于LED工業生產中熱阻的快速篩選，研制出可支持100路的LED熱阻篩選儀設備（專利號：201110197798.x），該設備可以被應用于LED封裝生產線，進行燈具組裝前的熱阻篩選。代表性成果“LED封裝熱阻可靠性篩選儀”獲全國發明博覽會金獎。

以上成果共發表論文50余篇，其中在國際權威期刊發表并被SCI收錄論文30余篇，EI收錄10余篇，申報專利10余項，現已獲授權9項。

記者：請您著重介紹一下“熱阻測量的結構函數算法”。

馮士維：作為本項目的核心技術部分，“結構函數算法”最早由匈牙利專家提出并商用。由于該算法核心部分屬于“know-how”范疇，致使所售儀器價格奇高。我們首次在國內自主掌握了該算法，并成功應用于商業化測試儀，價格降低數倍，具備了出色的性價比。并將該技術擴展至系統級設備、特種結構器件等溫升的無損、快速測量上。為半導體器件的熱特性分析提供了一種新穎的無損檢測手段。

記者：這些成果是否實現應用，其價值和效益何在？

馮士維：利用這些技術先后開發的LED、LD、MESFET、VDMOS、HEMT器件的熱特性分析儀分別被華為、中電集團等單位采用，直接合同經費超過300萬，節省替代進口設備價值近千萬。同時應用產品品質提升，社會效益就更大了。

記者：您的團隊的研究處于國際先進水平，除上述外，還有哪些代表性的成果，目前承擔的項目有哪些？

馮士維：我們這個團隊主要從事新型半導體器件及其可靠性研究，研究方向主要集中在：半導體器件結溫測量技術研究、半導體器件失效分析、半導體器件可靠性評價、新型半導體器件等領域。

我們研發出了最新理念的半導體熱特性分析儀“半導體器件結溫/熱阻測試儀”，采用行業最先進的瞬間溫升測量技術，測量過程自動、快速、精確、非破壞性；在半導體器件失效分析領域，提出了一種利用結構函數方法檢測LED芯片粘接材料熱疲勞特性的方法，可以無損地檢測出器件內部發生熱疲勞分層失效的部位；提出了一種利用GaN（氮化鎵）材料陰極熒光譜特征波長隨溫度變化的關系測量GaN基HEMT器件溫升的方法，這是目前分辨率最高的器件溫升測量方法。

目前，實驗室承擔國家自然科學基金、863課題、軍方預研課題、重大科技專項和北京市基金等科研課題30余項。2003年以來，獲批授權國家發明專利20余項，相關課題獲省部級科技進步獎2項，發表學術論文200余篇。