赵俊萍，李兴鸿，方侧宝，李冬梅

（北京微电子技术研究所，北京 100076）

结到壳的热阻是衡量集成电路从芯片表面到封装表面的热扩散能力的参量，是集成电路最重要的热性能参数之一。结到壳热阻值越小，集成电路的热性能越好。目前集成电路结壳热阻测试是依据JESD51-14中描述的一种基于瞬态结温测试的结到壳热阻双界面测试方法进行测试。在常规的CMOS工艺集成电路中都有如图1所示的结构。当VDD接负极，GND接正极时，在衬底上会形成一个PN结，可等效为一个二极管。[1]所以在集成电路热阻测试时可以利用VDD和GND之间的等效二极管，作为加热单元和测试单元。但随着集成电路功能越来越复杂，集成度越来越高，集成电路中电源和地的种类也越来越多。以片上系统（SoC）为例，经常集成了3种以上不同电源电压的数十种IC功能模块，每种电源又分为模拟电源、数字电源、锁相环（PLL）电源甚至更多。所以在热阻测试时，同样的样品，选择不同的测试单元和加热单元，所得的结果会出现不一致的情况。由此可见，在多电源集成电路的热阻测试过程中，为了得到更为准确的热阻测试结果，加热单元和测试单元的选择尤为重要。以下经过选择不同的加热单元进行测试和分析，总结出不同加热单元对测试结果的影响，并给出了结壳热阻测试时加热单元和测试单元的选择方案。

图1 常规CMOS工艺剖面结构示意图

结壳热阻瞬态双界面测试法是依据JESD51-14的标准中规定的方法进行的。在测试前，先选定待测集成电路的测试单元。一般情况下，选择集成电路中电源和地之间的等效二极管作为测试单元。然后在小电流下确定测试单元的温敏参数K。温敏参数K是测试单元中等效二极管正向导通电压值Um随温度变化的关系，可以将温敏电压值Um的变化量转换为结温的变化量。最后选定加热单元。加热单元是集成电路中可以施加较大恒定功率的单元，通常选作为测试单元的电源和地，也就是说，电源和地之间的等效二极管，既可以是加热单元，也可以是测试单元。

测试时，将集成电路直接放置在温度固定的液冷板上。先给待测集成电路的加热单元施加恒定的加热功率PH，使其对集成电路加热并达到热稳定状态，此时集成电路芯片的结温保持不变。然后切断加热功率，将电流切换成测试电流Im，以一定的采样频率持续测量测试单元的温敏电压Um，得到Um随时间的变化曲线。再根据温度系数K，可以将Um随时间变化的曲线转换为芯片温度随时间的变化曲线，也就是结温冷却曲线Tj（t）。已知加热功率PH，根据公式：

可以计算出被测电路的瞬态热阻值Zth（jc）温度响应曲线（图2），用结构函数分析手段，还可以得到结构函数曲线[2]。

图2 结壳热阻曲线

按照上述步骤，再次进行测试。不同的是，第二次测试时，将待测电路表面涂覆一层很薄的导热硅脂或者导热胶后再放置在液冷板上。这样在两次测试的瞬态热阻曲线存在明显的分离。通过瞬态热阻曲线及其对应的结构函数的分离点，就可估算出结壳热阻的值。

在对单电源集成电路进行结壳热阻测试时，利用结壳热阻瞬态双界面测试方法，选电源和地之间的等效二极管同时作为加热单元和测试单元。该测试方法与传统的测试方法相比，不需要用热电偶测量壳温，简单易操作，可重复性好，获得的结果也更为准确。但随着集成电路的发展，集成电路中电源和地的种类越来越多，芯片面积也越来越大。在热阻测试时，选择不同的电源和地作为加热单元和测试单元，所得的测试结果会有较大差异。下面的试验，对一款芯片面积较大的多电源集成电路，分别选取不同的加热单元和测试单元进行结壳热阻测试，并对测试结果进行比较分析，得出多电源集成电路最佳的热阻测试方案。

2.1 选择一组电源和地作为加热单元和测试单元

在测试过程中，选择多电源集成电路中的一组电源和地，作为加热单元和测试单元。被选中的电源和地，在芯片中所占面积尽量大，以保证加热面积足够大。

在试验的电路中，电源主要有以下几组：VCCINT、VCCAUX、VCCO、MGTAVCCPLL、MGTAVTTTX、MGTAVTTRX、MGTAVTTRXC、AVDD。其中在芯片中所占面积最大的VCCINT与GND之间不能等效为二极管，所以弃选该组电源和地作为测试单元。选择在芯片中所占面积第二大的VCCO电源组作为加热单元和测试单元。对两只样品进行测试的结果如表1 。

表1 测试方案1

2.2 选择一组电源和地作为测试单元，另外一组电源和地作为加热单元

在这次测试中，还是选择在芯片中所占面积第二大的VCCO电源组作为测试单元，选择在芯片中所占面积最大的VCCINT电源组作为加热单元。对两只样品进行测试的结果如表2。

表2 测试方案2

2.3 选择一组电源和地作为测试单元，两组电源和地作为加热单元

在这次试验中，也选择在VCCO的电源组作为测试单元，选择VCCINT电源组和VCCAUX两组电源作为加热电源。对两只样品进行测试的结果如表3。

表3 测试方案3

由以上测试结果可见，选择相同的测试单元，但加热单元不同，其他测试条件均接近，热阻的测试结果存在较大差异。表1中的测试方法，是选取在芯片中所占面积第二大的VCCO电源作为加热单元和测试单元。由于芯片热阻值的大小与芯片面积成反比。当给芯片局部面积加热时，相当于芯片面积减小，所以测试的热阻值会偏大。再加上加热单元本身又是测试单元，所以当对芯片加热并达到热平衡时，测试单元作为热源，它的结温会略微偏高，也会导致热阻测试值偏大。表2中的测试方法，选择在芯片中所占面积最大的VCCINT电源组作为加热单元。相对于表1的测试方法，加热单元面积增大，且测试与加热为不同的单元，当芯片加热达到热平衡时，测试单元的结温不会偏大，所以热阻值会比表1中的测试方法测得的值小且更为合理。表3中的测试方法，选择在芯片中所占面积最大的VCCINT电源及另外一组电源VCCAUX作为加热单元，也就是采用多区域进行加热。相对于表2的测试方法，加热单元面积又有所增加。但在该款电路中，VCCINT在芯片中所占面积足够大，VCCAUX的增加对加热面积有所影响，但影响不是很大，所以所测得的热阻值会略有减小。

多电源集成电路结壳热阻的测试，依据标准JEDEC51-14结壳热阻双界面测试方法进行。加热单元和测试单元一般选取电源和地之间的等效二极管。由上述试验的情况可知，在实际的测试过程中，加热单元和测试单元的选择会对测试结果产生影响。所以，为了获得更为准确的结壳热阻值，加热单元和测试单元应为两种不同的电源，同时加热单元尽量选择芯片中所占面积最大的电源和地，来保证发热面积足够大。如果选取一组电源作为加热单元，不能保证足够的发热面积，可以选取多组电源作为加热单元，以获得更为准确的测试结果。

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