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(xué)博士、教授、博士生導(dǎo)師，北京工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院執(zhí)行院長。國家科委國際合作項目和教育部留學(xué)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(wù)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(dǎo)體器件和技術(shù)、半導(dǎo)體光電子學(xué)等。主持和作為主要成員完成國家自然科學(xué)基金、北京市基金、總裝備預(yù)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(yè)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(fā)明專利23項，獲國家發(fā)明博覽會金獎1項。發(fā)表論文200余篇。

信息時代，與我們生活息息相關(guān)的一切信息產(chǎn)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(nèi)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(dǎo)體器件及可靠性研究室在這一領(lǐng)域先聲奪人，研究出“半導(dǎo)體芯片溫升測量與熱阻構(gòu)成測試技術(shù)”、“器件溫度特性快速獲取方法和技術(shù)”和“半導(dǎo)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(jiān)控并預(yù)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(zāi)。我們?yōu)榇瞬稍L了馮士維教授。

記者：“半導(dǎo)體芯片結(jié)溫測量和熱阻構(gòu)成無損檢測方法”的主要研究內(nèi)容是什么？

馮士維：經(jīng)過本項目的研究，建立起了通過器件本身電學(xué)參數(shù)無損獲取芯片的工作結(jié)溫，并通過對瞬態(tài)溫升過程的測量以及理論算法，提取出從結(jié)溫至大氣環(huán)境不同材料部分對溫升貢獻和熱阻構(gòu)成。基于這些數(shù)據(jù)進一步檢測、判斷半導(dǎo)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(fā)的實驗設(shè)備，為半導(dǎo)體器件設(shè)計、工程應(yīng)用等領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

目前，已實現(xiàn)了基于電學(xué)溫敏參數(shù)法的LED（發(fā)光二級管）、VDMOS（硅基場效應(yīng)功率器件）、LD（半導(dǎo)體激光器）、MESFET（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）、HEMT（高電子遷移率晶體管）器件的結(jié)溫測量及熱特性分析儀。支持瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)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(shù)一個明顯的應(yīng)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(tǒng)的考核粘接材料熱疲勞特性的功率循環(huán)方法。以熱疲勞老化過程中監(jiān)測器件芯片粘接部分熱阻的退化作為失效判據(jù)，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(chǎn)業(yè)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(chǎn)線上使用的LED熱阻篩選儀。

該技術(shù)在電子設(shè)備系統(tǒng)級散熱優(yōu)化方面也得到了擴展應(yīng)用，實現(xiàn)了對軍用微波射頻功率系統(tǒng)模塊、組件散熱性能的優(yōu)化，大大降低了系統(tǒng)由于溫升過高引發(fā)帶來的不可靠性因素。

記者：相關(guān)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(fā)出國際上較為先進的熱阻構(gòu)成結(jié)構(gòu)函數(shù)方法，通過對測量的半導(dǎo)體器件瞬態(tài)溫升響應(yīng)曲線進行數(shù)學(xué)算法處理，有效獲取熱阻構(gòu)成的峰值譜，可以獲取器件有源區(qū)瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)溫升，以及不同材料部分的熱阻構(gòu)成。以此技術(shù)，分別研發(fā)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(shù)據(jù)的延遲時間等方面達到了國內(nèi)領(lǐng)先，與國際知名商用半導(dǎo)體器件封裝熱特性測試儀器設(shè)備水平相當(dāng)，廣泛用于功率器件芯片粘接材料的功率循環(huán)考核。

馮士維（中）指導(dǎo)學(xué)生

其次，進一步分析器件溫度不均勻性方法，以及功率循環(huán)考核芯片粘接質(zhì)量方法。相對于傳統(tǒng)紅外熱像法、X射線、超聲波等方法，對半導(dǎo)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(xué)操作及數(shù)據(jù)記錄，是一種非常理想的無損檢測手段，適用于生產(chǎn)線應(yīng)用及實驗室科研、可靠性考核應(yīng)用。并形成了專利“一種測量半導(dǎo)體器件內(nèi)部熱接觸面積的方法”（專利號：200710179493.x）。同時將該測量技術(shù)擴展至系統(tǒng)級電子設(shè)備的散熱特性優(yōu)化，以及特種結(jié)構(gòu)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(shù)溫度變化系數(shù)的方法和技術(shù)。傳統(tǒng)的器件參數(shù)隨溫度變化的測量是采用恒定環(huán)境溫度下測量參數(shù)，再改變溫度測量器件參數(shù)，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(shù)隨溫度變化曲線花費幾個小時是很正常的事。我們發(fā)明了一種快速線性溫升環(huán)境，使得測量器件電學(xué)參數(shù)時間僅為小于500秒，大大提升了測量效率。該技術(shù)重復(fù)性好、精度高，適用于半導(dǎo)體器件溫度系數(shù)的快速測量。形成專利“一種快速測量半導(dǎo)體器件電學(xué)參數(shù)溫度變化系數(shù)的方法和裝置”（專利號：201410266126.3）。

第四，將溫升測試技術(shù)應(yīng)用于LED工業(yè)生產(chǎn)中熱阻的快速篩選，研制出可支持100路的LED熱阻篩選儀設(shè)備（專利號：201110197798.x），該設(shè)備可以被應(yīng)用于LED封裝生產(chǎn)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(fā)明博覽會金獎。

以上成果共發(fā)表論文50余篇，其中在國際權(quán)威期刊發(fā)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(xiàn)已獲授權(quán)9項。

記者：請您著重介紹一下“熱阻測量的結(jié)構(gòu)函數(shù)算法”。

馮士維：作為本項目的核心技術(shù)部分，“結(jié)構(gòu)函數(shù)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(nèi)自主掌握了該算法，并成功應(yīng)用于商業(yè)化測試儀，價格降低數(shù)倍，具備了出色的性價比。并將該技術(shù)擴展至系統(tǒng)級設(shè)備、特種結(jié)構(gòu)器件等溫升的無損、快速測量上。為半導(dǎo)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(xiàn)應(yīng)用，其價值和效益何在？

馮士維：利用這些技術(shù)先后開發(fā)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(jīng)費超過300萬，節(jié)省替代進口設(shè)備價值近千萬。同時應(yīng)用產(chǎn)品品質(zhì)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(dān)的項目有哪些？

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

我們研發(fā)出了最新理念的半導(dǎo)體熱特性分析儀“半導(dǎo)體器件結(jié)溫/熱阻測試儀”，采用行業(yè)最先進的瞬間溫升測量技術(shù)，測量過程自動、快速、精確、非破壞性；在半導(dǎo)體器件失效分析領(lǐng)域，提出了一種利用結(jié)構(gòu)函數(shù)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(nèi)部發(fā)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(guān)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(dān)國家自然科學(xué)基金、863課題、軍方預(yù)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(quán)國家發(fā)明專利20余項，相關(guān)課題獲省部級科技進步獎2項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇。