雙界面法在多電源集成電路熱阻測試中的應用

趙俊萍，李興鴻，方側寶，李冬梅

（北京微電子技術研究所，北京 100076）

引言

結到殼的熱阻是衡量集成電路從芯片表面到封裝表面的熱擴散能力的參量，是集成電路最重要的熱性能參數之一。結到殼熱阻值越小，集成電路的熱性能越好。目前集成電路結殼熱阻測試是依據JESD51-14中描述的一種基于瞬態結溫測試的結到殼熱阻雙界面測試方法進行測試。在常規的CMOS工藝集成電路中都有如圖1所示的結構。當VDD接負極，GND接正極時，在襯底上會形成一個PN結，可等效為一個二極管。[1]所以在集成電路熱阻測試時可以利用VDD和GND之間的等效二極管，作為加熱單元和測試單元。但隨著集成電路功能越來越復雜，集成度越來越高，集成電路中電源和地的種類也越來越多。以片上系統（SoC）為例，經常集成了3種以上不同電源電壓的數十種IC功能模塊，每種電源又分為模擬電源、數字電源、鎖相環（PLL）電源甚至更多。所以在熱阻測試時，同樣的樣品，選擇不同的測試單元和加熱單元，所得的結果會出現不一致的情況。由此可見，在多電源集成電路的熱阻測試過程中，為了得到更為準確的熱阻測試結果，加熱單元和測試單元的選擇尤為重要。以下經過選擇不同的加熱單元進行測試和分析，總結出不同加熱單元對測試結果的影響，并給出了結殼熱阻測試時加熱單元和測試單元的選擇方案。

圖1 常規CMOS工藝剖面結構示意圖

1 結殼熱阻瞬態雙界面測試法的過程

結殼熱阻瞬態雙界面測試法是依據JESD51-14的標準中規定的方法進行的。在測試前，先選定待測集成電路的測試單元。一般情況下，選擇集成電路中電源和地之間的等效二極管作為測試單元。然后在小電流下確定測試單元的溫敏參數K。溫敏參數K是測試單元中等效二極管正向導通電壓值Um隨溫度變化的關系，可以將溫敏電壓值Um的變化量轉換為結溫的變化量。最后選定加熱單元。加熱單元是集成電路中可以施加較大恒定功率的單元，通常選作為測試單元的電源和地，也就是說，電源和地之間的等效二極管，既可以是加熱單元，也可以是測試單元。

測試時，將集成電路直接放置在溫度固定的液冷板上。先給待測集成電路的加熱單元施加恒定的加熱功率PH，使其對集成電路加熱并達到熱穩定狀態，此時集成電路芯片的結溫保持不變。然后切斷加熱功率，將電流切換成測試電流Im，以一定的采樣頻率持續測量測試單元的溫敏電壓Um，得到Um隨時間的變化曲線。再根據溫度系數K，可以將Um隨時間變化的曲線轉換為芯片溫度隨時間的變化曲線，也就是結溫冷卻曲線Tj（t）。已知加熱功率PH，根據公式：

可以計算出被測電路的瞬態熱阻值Zth（jc）溫度響應曲線（圖2），用結構函數分析手段，還可以得到結構函數曲線[2]。

圖2 結殼熱阻曲線

按照上述步驟，再次進行測試。不同的是，第二次測試時，將待測電路表面涂覆一層很薄的導熱硅脂或者導熱膠后再放置在液冷板上。這樣在兩次測試的瞬態熱阻曲線存在明顯的分離。通過瞬態熱阻曲線及其對應的結構函數的分離點，就可估算出結殼熱阻的值。

2 雙界面法在多電源集成電路熱阻測試中的應用

在對單電源集成電路進行結殼熱阻測試時，利用結殼熱阻瞬態雙界面測試方法，選電源和地之間的等效二極管同時作為加熱單元和測試單元。該測試方法與傳統的測試方法相比，不需要用熱電偶測量殼溫，簡單易操作，可重復性好，獲得的結果也更為準確。但隨著集成電路的發展，集成電路中電源和地的種類越來越多，芯片面積也越來越大。在熱阻測試時，選擇不同的電源和地作為加熱單元和測試單元，所得的測試結果會有較大差異。下面的試驗，對一款芯片面積較大的多電源集成電路，分別選取不同的加熱單元和測試單元進行結殼熱阻測試，并對測試結果進行比較分析，得出多電源集成電路最佳的熱阻測試方案。

2.1 選擇一組電源和地作為加熱單元和測試單元

在測試過程中，選擇多電源集成電路中的一組電源和地，作為加熱單元和測試單元。被選中的電源和地，在芯片中所占面積盡量大，以保證加熱面積足夠大。

在試驗的電路中，電源主要有以下幾組：VCCINT、VCCAUX、VCCO、MGTAVCCPLL、MGTAVTTTX、MGTAVTTRX、MGTAVTTRXC、AVDD。其中在芯片中所占面積最大的VCCINT與GND之間不能等效為二極管，所以棄選該組電源和地作為測試單元。選擇在芯片中所占面積第二大的VCCO電源組作為加熱單元和測試單元。對兩只樣品進行測試的結果如表1 。

表1 測試方案1

2.2 選擇一組電源和地作為測試單元，另外一組電源和地作為加熱單元

在這次測試中，還是選擇在芯片中所占面積第二大的VCCO電源組作為測試單元，選擇在芯片中所占面積最大的VCCINT電源組作為加熱單元。對兩只樣品進行測試的結果如表2。

表2 測試方案2

2.3 選擇一組電源和地作為測試單元，兩組電源和地作為加熱單元

在這次試驗中，也選擇在VCCO的電源組作為測試單元，選擇VCCINT電源組和VCCAUX兩組電源作為加熱電源。對兩只樣品進行測試的結果如表3。

表3 測試方案3

由以上測試結果可見，選擇相同的測試單元，但加熱單元不同，其他測試條件均接近，熱阻的測試結果存在較大差異。表1中的測試方法，是選取在芯片中所占面積第二大的VCCO電源作為加熱單元和測試單元。由于芯片熱阻值的大小與芯片面積成反比。當給芯片局部面積加熱時，相當于芯片面積減小，所以測試的熱阻值會偏大。再加上加熱單元本身又是測試單元，所以當對芯片加熱并達到熱平衡時，測試單元作為熱源，它的結溫會略微偏高，也會導致熱阻測試值偏大。表2中的測試方法，選擇在芯片中所占面積最大的VCCINT電源組作為加熱單元。相對于表1的測試方法，加熱單元面積增大，且測試與加熱為不同的單元，當芯片加熱達到熱平衡時，測試單元的結溫不會偏大，所以熱阻值會比表1中的測試方法測得的值小且更為合理。表3中的測試方法，選擇在芯片中所占面積最大的VCCINT電源及另外一組電源VCCAUX作為加熱單元，也就是采用多區域進行加熱。相對于表2的測試方法，加熱單元面積又有所增加。但在該款電路中，VCCINT在芯片中所占面積足夠大，VCCAUX的增加對加熱面積有所影響，但影響不是很大，所以所測得的熱阻值會略有減小。

4 結束語

多電源集成電路結殼熱阻的測試，依據標準JEDEC51-14結殼熱阻雙界面測試方法進行。加熱單元和測試單元一般選取電源和地之間的等效二極管。由上述試驗的情況可知，在實際的測試過程中，加熱單元和測試單元的選擇會對測試結果產生影響。所以，為了獲得更為準確的結殼熱阻值，加熱單元和測試單元應為兩種不同的電源，同時加熱單元盡量選擇芯片中所占面積最大的電源和地，來保證發熱面積足夠大。如果選取一組電源作為加熱單元，不能保證足夠的發熱面積，可以選取多組電源作為加熱單元，以獲得更為準確的測試結果。