基于MCU主控芯片的熱學可靠性與失效分析研究*

王 敦 閆辰侃 張凱虹

（中國電子科技集團公司第58研究所 無錫 214035）

1 引言

近年來，集成電路技術的發展迅速，隨著多功能、高頻和高功耗的芯片需求不斷增加，芯片可靠性要求也越來越高，芯片主要失效形式之一是熱失效，隨著環境溫度增加，芯片內部熱量不能及時傳遞出去，這就會造成熱量在芯片Die附近積累，溫度升高，結點溫度的升高會使晶體管的電流放大倍數迅速增加，導致集電極電流增加，最終導致元件失效［1～3］。據統計，溫度過高引起微電子器件失效的幾率高達50%以上［4］。不斷增大的功率密度使得封裝設計中的熱設計工作越來越受到重視。其中熱學物理模型計算以及測定芯片熱場分布成為了半導體器件可靠性設計和失效分析的重要環節［5］。

本文基于國產和進口MCU芯片，通過建立熱阻網路模型仿真，并利用電學法進行驗證，系統分析了MCU芯片內部溫度場分布及熱阻變化，并基于紅外攝像儀和SAM超聲設備分析了熱阻仿真與測試偏差的主要原因，為MCU芯片熱學可靠性分析奠定理論與測試基礎。為MCU熱學設計和測試，提高可靠性和失效分析水平提供了理論基礎。

2 物理模型建立與分析

2.1 MCU芯片有限元模型建立

對于MCU芯片，散熱設計主要考慮兩個熱性能參數氧化物結點區的工作溫度（簡稱結溫）TJ和熱阻Rth。熱阻代表了物體散熱的能力，芯片上的散熱方式主要是熱傳導，如圖1所示MCU芯片熱傳輸模型（上圖），熱量通過芯片燒結材料傳遞到外殼或者芯片基底，并進一步傳遞到周圍的環境。可根據MCU芯片的結構建立熱阻網絡模型，如圖1所示MCU芯片熱阻網路模型（下圖）。MCU芯片的總熱阻為Rth=R1+R2+R3+R4。

圖1 MCU芯片熱傳輸模型（上）及熱阻網路計算圖（下）

采用ANSYS有限元分析軟件進行有限元實體模型計算，主要仿真模擬流程包括物理模型建立、參數設置、網格劃分、模擬計算以及結果優化。最重要的是網格劃分方法的選擇，本文采用六面體主體法網格劃分［6］。本方法用于控制幾何體表面生成六面體網格，幾何體內部生成四面體或錐形網格。對各部分采用不同的網格大小以控制合適的網格密度。網格劃分結果如圖2所示，國產和進口MCU芯片采用相同的網格劃分方法，利用單元質量、單元縱橫比、雅可比比率和傾斜度等參數評估網格質量［7］。

圖2 網格劃分圖

2.2 MCU芯片熱學仿真結果與分析

圖3溫度場分布模擬圖可以得出芯片內部具體溫度，結果如表1，在環溫35℃下，可以看出國產和進口MCU芯片的2D梯度熱場分布區別，國產芯片結溫最大值TJ為58.2℃，進口芯片結溫最大值TJ為52.0℃，國產和進口芯片結溫和熱阻值接近，兩種芯片內部結構基本相同，主要區別在于芯片功耗和封裝的不同。由于曲線為典型的反S型曲線，固采用Logistic函數非線性回歸，進行定量分析。經回歸分析得到的函數為［8］

圖3 2D熱場梯度分布圖

表1 國產和進口MCU溫度場模擬結果

MCU芯片的溫度t-距離x曲線回歸結果：

同時，由于仿真模型以及參數設置不同，一般仿真結果會存在10%左右公差［9］。

3 測試與驗證

熱阻是反映器件散熱能力的重要參數，熱阻大則表明該器件散熱不佳；熱阻小，則表明該器件散熱效果良好［10］。熱阻測試主要參照的標準有國軍標GJB548B、國標GBT14862、美軍標MIL-STD 883J，主要測試方法有兩種，分別是直接測試法和間接測試法：1）直接測量結溫以確定Rth（J-R）。采用紅外熱輻射儀直接測量半導體芯片內部芯片的結溫，應去掉封閉殼體的帽或頂蓋，以暴露有源芯片或器件；2）間接測量結溫以確定Rth（J-R），給出了典型的測試結溫的電路，包括有源器件的P-N結電壓測試方法和集成電路的襯底體二極管測試結溫方法［11］。本文主要采用間接測量電學法，測試結果見表2，測試熱阻最重要的是測試K值，可以建立結溫與電壓之間的關系。K=（THi-TLo）/（VHi-VLo），THi和TLo分別是測試溫度最大和最小值，VHi和VLo分別是測試最大電壓和最小電壓值［12］，P-N結電壓受結溫和正向電流兩個因素影響。K系數熱阻測量值如圖4，可以根據K系數測試擬合曲線得出，在輸入測試電流1mA下，正向壓降與結溫呈線性關系［13］，其中國產K值為-2.1028，進口K值為-1.3431。

表2 結-殼熱阻（θJC）測試結果比較

圖4 國產與進口MCU芯片熱阻測試及K系數測試擬合曲線

結殼熱阻Rth=（TJ-TC）/P。其中TJ為結溫，TC為殼溫，P為輸入功率。TJ可以通過電學法測試得到［14］。在對芯片熱阻測試的過程中，可以得到器件的溫度隨時間變化的關系曲線，通過對該曲線進行一系列數學推理可以得出結構函數，見圖5，國產樣件結殼熱阻值基本與仿真相似，均值在5.12℃/W。進口樣件結殼熱阻值偏大，均值在12.57℃/W，大約是模擬值的兩倍。影響熱阻的因素很多，主要是芯片內部結構加工工藝存在公差所致。同時，可以將國產樣件與進口樣件結構函數進行比較，結構函數曲線是反映半導體器件熱容與熱阻關系的曲線，正常器件與失效器件的結構函數曲線會在失效部位發生分離，因而通過分析結構函數曲線的走向及分離點，可以確認器件的失效位置，提前對芯片內部結構失效或不良做出判斷，進而可以篩選出失效或不良器件，這也是這項工作的主要目的［15］。下面通過超聲掃描和連續穩態顯微紅外測溫技術，進一步對芯片內部進行分析。

圖5 國產和進口MCU芯片熱阻與結構函數測試結果

4 失效分析

結合國產和進口MCU芯片熱阻設計與測試驗證，可以確定芯片失效模式，為了進一步確認進口芯片樣件熱阻偏大的原因，了解芯片內部具體熱分布情況，結合超聲掃描和連續穩態顯微紅外測溫技術，對進口芯片熱阻值偏差進行分析。由圖6超聲SAM掃描測試結果所示，進口芯片內部基板發生分層，導致熱傳輸受到阻礙，導致接觸電阻過大和散熱性能差，引起器件電學參數的漂移，使得熱阻值增大。這將會嚴重影響著器件的質量，降低器件的可靠性［16］。同時，我們采用連續穩態顯微紅外測溫技術對器件在連續加電壓的過程中，對DIE表面溫度場分布進行采集，由圖7可以看出，在環境溫度35℃下，DIE表面邊緣出現紅色高溫區域，最高溫度65℃左右。綜合分析，熱阻失效要歸因于芯片基板分層，導致熱傳輸途徑受阻礙，降低了器件的熱可靠性。

圖6 國產和進口MCU芯片SAM超聲掃描測試結果

圖7 進口MCU芯片紅外攝像儀測試結果

5 結語

本文基于國產和進口MCU芯片進行研究，探討了熱學可靠性設計與測試的方法。系統地研究了MCU芯片的熱學特性及熱學參數的原理。并基于紅外攝像儀Infra-scope和SAM超聲設備分析了熱阻仿真與測試偏差的主要原因，為MCU芯片熱學可靠性設計及測試提供了一定的參考依據。