1995年12月,JEDEC JESD51-1應運而生。這款標準規(guī)范了半導體電子器件結(jié)溫的電學測溫法(Electrical Test Method,ETM)的使用,并提出了兩種測試方法——動態(tài)法(Dynamic Mode)和靜態(tài)法(Static Mode)。

動態(tài)法的工作原理是通過向被測器件施加不同長度的脈沖加熱功率(脈沖時長一般由短到長),使器件產(chǎn)生溫升,并在每個脈沖結(jié)束后切換回感溫電流(用于采集溫敏電壓計算溫度的小電流)采集一個溫度點。大電流關斷到采集溫敏電壓的延時(電流切換瞬間會有較大的電壓波動,采樣需在這之后進行,因此需要設置采樣延時),大多數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗值對不同測試對象進行適配。

而靜態(tài)法是將測試器件加熱至穩(wěn)態(tài)后,快速切斷加熱電流,同時對待測器件通入感溫電流。之后,器件會在熱沉的作用下降溫,直到與熱沉的溫度相同。整個降溫過程的溫敏電壓變化會被全部采集,將K系數(shù)帶入即可得到結(jié)溫的整個降溫過程的溫度變化。靜態(tài)法的溫敏電壓的采集有一個關鍵要點,就是采樣頻率的連續(xù)變頻技術。在加熱電流關斷初期,器件的芯片內(nèi)部的溫度急劇變化,通常需要MHz的采集頻率才能滿足測試需求。但是隨著熱傳遞到時間常數(shù)較大的外層時,溫度隨時間的變化速度會漸漸趨緩,此時過高的采樣頻率反而會導致測試數(shù)據(jù)量過剩冗余。比如,在連續(xù)1MHz頻率采樣的情況下,1秒鐘的采集數(shù)據(jù)就可以達到約2MB的大小,一次瞬態(tài)熱測試的數(shù)據(jù)量就能達到數(shù)百MB以上,非常不利于數(shù)據(jù)的儲存、傳輸和管理。除此之外,在結(jié)構函數(shù)的計算過程中,不論是時間還是時間常數(shù)都是自然對數(shù)冪次方,勻速采樣在對數(shù)軸上的數(shù)據(jù)密度分布反而是不均勻的,因此導致給后期數(shù)據(jù)處理帶來不良影響。而連續(xù)變頻技術使得溫敏電壓的測試在不同量級的時間域里實現(xiàn)連續(xù)變頻采集,大大縮小了數(shù)據(jù)的體量,而且滿足了采集點在對數(shù)時間軸上的均勻分布,很好地解決了以上問題。

2010年11月,JESD51-14問世,對靜態(tài)法(冷卻測試法)進行了進一步的優(yōu)化,并將其推薦為標準方案,而動態(tài)法并未提及,其原因是動態(tài)法存在一些難以忽視的問題。首先,從上面的兩幅過程圖中,我們可以發(fā)現(xiàn)靜態(tài)法只需要加熱至一次穩(wěn)態(tài)即可,但動態(tài)法需要多次脈沖加熱,最后一個脈沖仍需加熱至穩(wěn)態(tài)。在測試時間上,靜態(tài)法僅需一次脈沖的時間就能得到數(shù)據(jù)點非常密集的溫度變化曲線,而動態(tài)法需要的測試時間更長,但得到的數(shù)據(jù)點卻很稀疏。
第二,使用電學法測量器件結(jié)溫時,電學底噪無法避免。由于動態(tài)法每次脈沖后只采集一個點,因此數(shù)據(jù)精度受電學底噪影響顯著。反觀靜態(tài)法,它整個降溫過程以最高一兆赫茲速度采集若干個點,之后在軟件中進行平滑處理,可顯著降低電學底噪帶來的影響。

第三,在進行熱測試時,加熱電流切換回感溫電流后,短時間內(nèi)的電壓變化不只是受溫度影響,還受到電學因素的影響,產(chǎn)生很大的波動。我們將這段時間的數(shù)據(jù)稱為開關噪音,這些數(shù)據(jù)不能真實反應器件的溫度。在動態(tài)法中,電流切換后只采集一個點,并且需要設置一個延遲時間,來確定這個點何時采樣。如果設置的延遲時間過短,則采集到的數(shù)據(jù)可能為開關噪音,導致數(shù)據(jù)嚴重不合理,產(chǎn)生巨大的誤差;如果設置時間過長,由于溫度變化初期,結(jié)溫變化非常劇烈,所以Tj(器件結(jié)溫)降低較大,導致采集得到的Tj偏低。而靜態(tài)法能夠連續(xù)記錄電流切換后的全部數(shù)據(jù),可以明顯地觀察到電壓受到電學影響帶來的變化。并可以借JESD51-14標準中的方法進行補償計算,通過外插得到關斷瞬間的準確的Tj。

對于瞬態(tài)熱阻的測試除了獲得高精度的結(jié)溫變化數(shù)據(jù),還需要穩(wěn)定精準的加熱功率的數(shù)值。當加熱電流流經(jīng)器件時,其兩端的電壓會隨著Tj的變動而不斷波動,進而使得加熱功率也隨時間發(fā)生變化。由于這種動態(tài)變化,動態(tài)法在采集每個脈沖時的加熱功率都會有所差異,換言之,加熱功率測試值會出現(xiàn)不同程度的誤差。然而,靜態(tài)法則采取了不同的策略。它先將器件加熱至熱穩(wěn)態(tài),再從中捕獲一個穩(wěn)定的功率值。這樣,靜態(tài)法為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了一個更為準確和可靠的功率數(shù)據(jù)。

綜上所述,從多個方面考量,JESD51-14標準中推薦的靜態(tài)法顯然更加適宜。無論是從采樣點數(shù)的密集程度,還是電學底噪對數(shù)據(jù)采集精度的影響,亦或是電流切換對數(shù)據(jù)采集的干擾,靜態(tài)法均展現(xiàn)出其優(yōu)越性。尤為關鍵的是,靜態(tài)法在采集功率的準確性方面表現(xiàn)突出,為數(shù)據(jù)分析提供了更為可靠的基礎。因此,綜合各方面因素,對于瞬態(tài)熱測試而言,靜態(tài)法無疑是更合適的選擇。
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