SJ 20788-2000 半导体二极管热阻抗测试方法

标准中涉及的相关检测项目

检测项目：

• 热阻抗：包括稳态热阻抗和瞬态热阻抗。
• 温度系数：评估温度变化对二极管表现的影响。
• 功耗能力：二极管在不同工作状态下散发热量的能力。

检测方法：

• 稳态热阻抗测试：通过将二极管置于恒定电流下，测量其结点温度及外壳温度，计算出稳态热阻抗。
• 瞬态热阻抗测试：通过短时施加高功率脉冲，利用温度传感器进行测量和计算瞬态热阻抗。
• 恒定温度下性能测试：在确定的环境温度下，通过测量温度系数来评估二极管的性能。

涉及产品：

• 各种类型的半导体二极管，例如整流二极管、开关二极管和肖特基二极管。
• 用于高温和高效能的特种二极管。
• 半导体模块及集成电路中包含的二极管组件。

这些测试方法和检测项目提供了对二极管性能的全面评估，以确保其在设计应用中的可靠性和效率。

SJ 20788-2000 半导体二极管热阻抗测试方法的基本信息

标准名：半导体二极管热阻抗测试方法

标准号：SJ 20788-2000

标准类别：电子行业标准(SJ)

发布日期：2000-10-20

实施日期：2000-10-20

标准状态：现行

SJ 20788-2000 半导体二极管热阻抗测试方法的简介

本标准规定了半导体二极管的稳态热阻和瞬态热阻抗的测试方法。本标准适用于整流二极管、瞬态电压抑制二极管、功率齐纳二极管和某些齐纳、信号和开关二极管稳态热阻抗的测试。SJ20788-2000半导体二极管热阻抗测试方法SJ20788-2000

SJ 20788-2000 半导体二极管热阻抗测试方法的部分内容

中华人民共和国电子行业军用标准FL5961

SJ20788—2000

半导体二极管热阻抗测试方法

Measurment method for thermal impedance of semiconductor diodes2000-10-20发布

2000-10-20实施

中华人民共和国信息产业部批准中华人民共和国电子行业军用标准半导体二极管热阻抗测试方法

Measurment method for thermal impedance of semiconductor diodes1范围

1.1主题内容

本标准规定了半导体二极管的稳态热阻和瞬态热阻抗的测试方法1.2适用范围

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本标准适用于整流二极管、瞬态电压抑制二极管、功率齐纳二极管和某些齐纳、信号和开关二极管稳态热阻和瞬态热阻抗的测试。1.3应用指南

被称为产品定问筛选工序的瞬态热测试是热阻抗测试的一个分支，它能确定二极管芯片至基座交界面的导热能力，并且是芯片粘附导热性能的一种量度。它适用于产品的筛选工艺。本方法可用丁基座或导热管脚有关质量（重量）和热导率的设计：并可鉴别芯片粘附质量。这对功率器件特别适用。本方法可用下产品监测、进厂检验和预老炼筛选。某些齐纳结构，特别是当采用了较小的结面积设计时，当使用二极管的正向电流测试时，由于加热电流引起的冷却太快，以致不能提供精确的测量。对这种器伴，提供了在齐纳方向施加电流的方法，并在最接近加热电流终止处进行测量。在此种方法中，不包括少数载流子，并由于较小的电流而使电感效应减至最小。可认为此力法是一种实验室测量，因为在自动测试中电缆有一定长度，会妨碍在加热电流终止处进行测量，因而影响测量推确度。本实验宝法的目的是用于齐纳器件最初设计证实与先前确定产品测试极限值的正向热阻抗测试（例如：自动测试）相对应，在正向产品保证中，必须相应保证反向（齐纳）热阻抗不超过规定的极限值。如果此齐纳测试法超过正向法的10%或更多时，那么，对些器件，根据此更准确的实验室法（见5.3.1)，要降低产品监测（正向自动测试）的极限值。

半导体器件的稳态热阻和瞬态热阻抗对半导体芯片与封装之间的芯片粘附材料中的空洞是有灵敏关系的，风为这些空洞妨碍热量从芯片向衬底（封装）流动。由丁芯片租封装的热时间带数不同，瞬态热响应的测量较稳态对空洞的存在更灵敏。这是网为芯片的热时间带数一般比封装小儿个数量级，于是，可这样选择加热功率脉冲宽度，使它略人于芯片热时间常数，而小丁封装（衬底）的热时间常数，这样，在加热脉冲时间内，仅仅芯片和芯片与村底的交界面被加热。对各种管壳设计，1～400ns的加热功率脉冲宽度可满足此判据。这就极人地增加了对空洞的探测能厅，另一个优点是被测器件无须另加热沉。丁是，瞬态热阻抗或热响应技术是一项耗时较少的技术，可用米作为制造中的中华人民共和国信息产业部2000-10-20发布iiiKAoNiKAca

2000~10-20实施

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筛选，「序控制或进广检验测等芯片粘附究整性的评价。2引用文件

GB128A--97半导体分立器件试验方法3定义

本标准采用GJB128A中的定义。

3.1参数符号

本正向测试法所州的参数符号如下（当使用齐纳法时，见本章中的注）：a.VF：对结温敏感的被测器件（DUT）的正向偏置结电压。：施加热功率以前的初始V值。

Vr:移去热功率之后的最后V值。b.4V：由于对被测器件施加热功率，温度敏感参数V的变化量。I：为产生功率耗散，在加热时间周期内施加到被測器仆的电流。c.

d。Vi：对被测器件施加电流所引进的加热电压，PH：加热功率脉冲值：和Vu的积。e.

：将P施加到被测器件的持续时间。f.

g，1g：为测量V，施加于正向偏置温度敏感二极管结的测量电流。h：tun：测量延迟时间，该时间从加热功率（PH）移去开始至最后V测试时间（参见tw）开始。

i.tsw：取样窗口时间，在该时间内进行最后VFr测量。tsw值应尽量小，当采用示波器测量时，sw可以接近零。

j．VTC：在固定IM值时，V,对T,的电压温度系数，以mV/K为单位。k．K：热校准系数，等于VTC的倒数，以K/mV为单位。I、CU：比较单位。等于作被V除，瞬态热响应是对耗散功率变化的归一化，以mVV为单位。

m.T：被测器件的结温。

n．4：施加P引起的变化，时间等于。0．Zhji-x：从器件结到确定的基准点的某时间的热阻抗，以K/W为单位。Zm-：从器件结到与器件芯片直接相邻的管壳外表面上的点测得的热阻抗，使用的时间等于器件的时间常数，以K/W为单位。p、Riti-x:从器件结到确定的基准点热阻，以K/W为单位。Ri-：从器作结到与器件芯片直接相邻的管壳外表面上的点的热阻，以K/W为单位。

Rthi-从器件结到环境的热阻，以K/W为单位。注：①）当使用齐纳法时，本标准中无论何处出现下列定义都成作相应的改变义学符号：改为吃

Vg改为VzL

Vn改为VzH

Vei改为VzLi

Ver改为VzLt

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词组：正向偏置改为反向偏置，当使用齐纳法时，AK、K和CU参数值与正向偏置法相比应有显著的差别，不同的标?

称齐纳电压也会出现一些差别。4一般要求

测试的-~般要求应符合GJB128A的第4章5测试设备

本测试所要求的设备应包括适用于规定测试步骤的下列设备（按图1所示的配置）：S

图1极管的热阻抗测试装置

5.1.1恒流源，具有对I值校准的能力，并能提供由被测器件要求的V值。在加热时间的整个过程中，恒流源应能保持电流在2%的误差内。5.1.2施加1M的恒流源，具有足够的电压裕量使TSP（温度敏感参数）结充分导通。5.1.3能够在加热状态和测量状态之间转换的电子开关，其转换时间应足够短，以避免被测器件在转换期间冷却，转换时间的典型要求应在数微秒或数+微秒的范围内。5.1.4电压测量电路，测量Vft应有毫伏的分辨率。5.2测试方法

测试时，首先调整IM和Im，并达到要求的数值。值通常比IM值至少大50倍。然后，将电子开关放在位置1，测量VE值。再将开关移至位置2，持续时间等于，并测量Vu值。在结束时，开关再次移到位置1，并在由mp（或tmp加tsw）确定的时间周期内测量V完成测试时应关闭两个恒流源。热阻抗测试波形见图2。应足够短，应控制在数+毫秒范围内。-3-

iiiKAoNrkAca

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正向偏置法

齐纳偏置法

图2热阻抗测试波形

法：①一些测试仪器可以直接提供

③对于大电流二极管，可以使用替换的波形（如正弦波）。5.3接收极限

5.3.1概述

由于不同承制方制造的二极管特性有差异，对给定规范，测试所有的二极管确定单一的接收极限有困难。最简单的方法是采用理想的单--么V，接收极限值。然后，对一组给定的试验条件，不同的设计方法、材料和工艺会改变^，值。下面给出的是为确定接收极限的儿个不同的方法，AF极限是最简单的方法，通常被选做筛选用。5.3.3至5.3.6要求-4 -

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更多的细节。在某些情况下，如考患到齐纳管的浪涌特性，则要求热阻抗的绝对极限值。在这种情况下，用正向法（通常是自动测试）设定齐纳二极管的极限值时，要求预先用齐纳偏置法估算Z.ni-×（和1Rml一x，当要求时）。如果齐纳法的结果高于10%.应根据更精确的齐纳偏置测试法确定该极限值。在这种情况下，若打算使用正向偏置法，4VF、Zmi-x或Rr-的极限应按两种方法之差的范围（百分比）缩减。5.3.24V,极限

如果所有被测二极管的K系数和V值对给山的规范儿乎是相同的，则单一的V极限是适用的。因为这些值对不同的承制方是不同的，使用不同的极限是可能的，以便更精确地获得设计目的（当比较不同产品源时，较低极限不表较好的芯片键合）。二极管规范应列出下面的测试条件和测量参数：IH：以A为单位：

tg：以ms为单位：

IM：以mA为单位：

fMD：以us为单位：

tsw:以μs为单位：

aVe：最大极限值，以mV为单位。5.3.34T极限（包含的比4V要多，但对检查可疑的器件有用。）因为△T是K（按照5.4）和AV的乘积，对于给出的一组测试条件，本方法与确定最高可接收结温升相同

5.3.4CU极限（包含的比4T稍多）上述的47极限方法不考虑游在的器件之间的功率耗散变化，V值可以改变，取决下芯片的设计和尺寸，因此，不同器件在加热周期内引起的功率耗散是不同的。此变化在单一制造厂生产的器件批内是小的，但在制造厂与制造厂之间是大的。CU极限值考患了因Vu不同而功率耗散不同，因此，用除V。5.3.5（KCU）极限（包含的稍微多些，但提供较多的细节）这是个组合的方法，考了器件之闻的功率耗散变化和K系数不同两个因素。5.3.6Zui-极限（对全特性，没必要作筛选用）热阻抗方法使用绝对规范值，以克服与其它方法组合的问题，热阻抗按下式计算：4T (K)(4VF)

Z ai-x==

5.3.7Rhi极限（热阻规范测试）对一些确定点（如管克）的热阻是用于热平衡条件的绝对规范值。因此，必须将加热时间t延长到足够长（典型值为20～50s），R—测量的实例中，为获得最住效果，必须仔细地使管壳温度稳定和监视在需要无限人热沉的温度上。实例Rni-中，△T是结滤与宪溫之差。

RaP\uuxva)

5.3.8瞬态热测试的-般说明

TKAoNrKAca-

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使瞬态热测试方法的一个潜在问题是力求达到足够分辨率的测量准确度，以区分二极管是否接收。随着被测二极管承受电流能力的增大，瞬态条件下的热阻抗值会变得很小。这个值增加了拒收好的器件和接收坏的器件的可能性。在这种情况下，必须使用较大的码值。

5.4温度敏感性参数V的测量

参数的测量有两种方法，外部加热测试法和聚交特性快速测试法。5.4.1外部加热测试法

随着环境温度（即被试器件温度）变化，用要求的IM值监测V以究成V对的校准曲线。因而，此校准曲线随外部加热变化。如果接收极限是（见5.3.2），则不要求此校准曲线，若是其它接收判据，则要求（见5.3.3至5.3.6）。应选择1m量值，使片是器件止常T范周内线性减少的函数。必须足够大，以确保二极管的结被导通，但不能火到足以引起有效的自加热。测试方法的例子和所得到的曲线在图3中示出。控制的环境温

恒流源

正向电压显示器

3-位数字电压表

温度临视器

步骤l：在T,用m测试VF1

步骤2：在Iiz用[测试VF2

步骤3：K=

[Vea -V

率=LK

M必须足够大至足以克服表面漏泄效应，小至不成引起有影响的自加热。T是外部加热的环境温度，使用烘箱、液体等图3与关系曲线举例

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校推系数K（图3中曲线斜率的倒数）按下式确定：Ta~

已经过实验证明，在给定的器件型号类型中，所有器件的系数变化是小的。通常的程序是从器件批的10～12 个样品上完成K系数校准、确定平均值K利标雄偏差（g)。如果标准偏差小丁或等丁K平均值的3%，对批中的所有器件就可以使用K平均值。如果标准偏差大于K平均值的3%，则应校准批中的所有器件，并在确定器件接收中使用各自的K值。

5.4.2聚交特性快速测试法

实验衣明，各种硅（锗）二极管V=f(T)曲线的线性部分外推至OK时，将聚交于1267mV（800mV)，在m=10 mA时：偏差一般不超过±2%。见图4：1400

(mV）1267

Tα =I0 mA

273300

图4硅二极管（器件①～④）=f(T)测试曲线?

在任何室温T(K)时，只需测量给定的Iy（例如10mA）时的Ve，则可快速确定校准系数K：

对硅二极管

对锗.二极管

1267mV-M

800mV-V

TKANrKAca-

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IM必须足够人（应人下SmA），以保证特性曲线具有聚焦特性。对于一般单PN结的二极管，m通常可选用10mA。

注，对于大电流二极管，应慎用聚焦特性快速测试法。5.5测试条件和接收极限的建立

热阻测量要求等于器件规范指明的要求值，典型的为规定电流或更商。H、tMD值和热沉条件也由器件规范规定。下面给出的步骤主要是为辫态热测试和热特性使用为使用上述设备和定义，实现瞬态热测试评价管芯枯附性能，以下步骤给山如何建立测试条件，并确定接收极限。对于各类二极管的测试，下述步骤详细述如何建立并调试设备。因为本程序为保证热传到管壳（即Ri-×条仆），在要求的加热时间内表征二极管外部某点的热特征，因此，应使用适当的热沉或监测壳温。步骤1：20～25个样品，挑选任一二极管开始设置程序，按下述步骤调试设备：为1.0H（或接近被测器件正常T.作电流的一些其它要求值。在齐纳方向测量，功率二极管一般要大些，齐纳二极管一般要小些。）为10～50ms（大多数器件功率耗散额定值在15W以下，除非另有规定。）为50-100ms（大多数器件功率耗散额定值在200W以下，除非另有规定。）L大于250ms（用丁稳态热阻测试。在稳态条件被脉冲代替以前，必须给出脉冲与稳态条作的关系。

tMD为最大100Hs（用引起非热瞬态感应的磁性另件封装的功率器仆：可以要求人的值，该值应符合图2的，区，除非另有规定。）Im为10mA（或标称值，接近的1/50或更小：）步骤2：将器作插入设备的测试夹具并开始测试（最好是测试夹具就提供了所要求的某种类型的热沉，如果在测试期间功耗使二极管处下自由空气额定值范围内，或者最人加热时间极限少于热量传到管尧所要求的时间，则不要求热沉）。步骤3：如果AV在15~50mV的范围内，或4Vz等效于相同的AT，这个范围人约符合10～20°C粗略的结温变化，则继续进行下一步骤，并满足初始比较用！如果4V小丁15mV，应反回到步骤1，并通过对器作增加H来增加加热功率，如果%小于50mV，大约相当于火于25°℃的结温变化，就应通过返回到步骤1和减少珀米降低热功率。

注：试验设备成具有5%作的分辨率。如米不具录，必须选择较高的4值，直到满足5%的公差，当P不相同时，由于V相差很大，两个不同的器件可以有相同的结温。在给定批内，较高的Y可能州起更高的结温升。例如使用CU值，此筛选可以更精确地完成。正如在第3章中定义的那样，CU提供了一个比较单位，对给定的I测试条件，该单位考虑了不同器件的VH值。

步骤4；测试每个样品器件并记录4V,和CU变化量。步骤5：选出最高CU值和最低CU值的器件，可以用片值代替CU值。步骤6：使用步骤5的器竹，绘制两个器件的加热曲线变化量，并与图5所示的例子相似。

加热芯片

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热量传至芯片阴着区

tH (s)

图5两个极端器件的加热曲线

加热封装目

步骤7：下面便是加热曲线的说明，可以看出，如架加热时间（）少于或等于芯片的热时间常数，相回芯片的热特性应是相同的，两条曲线对的低值一开始应相同。不相同的芯片（横截面较薄或较小）甚至在的较小值时都应完全有不同的曲线。随着值的增长，因而超过芯片热时间常数时，热量通过芯片传至管芯的粘附区。由于加热曲线上的两个器件是步骤5特意选出的不同器件，在达到因芯片附着的不同对芯片结温有影响的值之后，图5曲线分支。更进一步增长！可能因热量在器件封装内传播而导致曲线变平。如果封装的热容量小和对好的热沉装得不好时，曲线就很不平坦，但应在斜率上示出明确的变化。

步8：使用加热曲线选择适当的值，以便使芯片上的热量与封装土的热量之间的过渡区上的拐点相对应。

如果在热流动通路中有儿个不同的元件（例如，芯片、芯片附着，衬底、村底附着和封装），在加热曲线中就有几个曲线乎稳段和过渡。适当的选择，使其它附着面积的评价灵敏性最住化。，

步骤9：重新调设备，按步骤8确定的值调期步骤10：因为选择的（值比热平衡的时间少得多，有可能显著增加加热功率而不退化器件性能或破坏器件。增加被测器件的功率耗散将引起较高的AV，或CU值，就更容易确定接收和不接收器件。

步骤11：通过/失效极限，接收和不接收器件之间的分界点，可以用各式各样的方法-9-

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建立：

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且：与芯片剪切和X射线等其它芯片粘附评价方法相对应的方法，显然从热导观点看，这恶个方法几乎没有实际价值，但正如各军用标准所述，这两种方法确实是标准方法。

b、器件之间的最火允许结温变化，因为47利么V之间的关系，对正偏测试人约是0.5°C/mV：对齐纳方向是测得的等效值。在器件之间的结温分布可以容易地被确定。T预示可靠性。相反，必须满足可靠性设计的T分布能转换为通过/火效判据的4V或CU。为充分利用本方法，必须对器件的，一V特性进行精确的校准。特性的斜率，通常称为K系数，在样品上容易被测量。测量时使用电压表、环境试验箱、温度指示计和人功率电源设备，温度指示计租电源装置按5.4所述。简单的一组方程给出已知K私利AV情况下的结温：

4T = (K)(4V)

T =I+47

式中，T，是环境或基准温度。瞬态热测试条件：轴向引线器件的温度通常等效于引线温度（T），管壳安装器件的温度通常等效于壳温（T）。c.从20～25个器件样品的统计得到：4P或CU值分布是具有超出正常规范的有缺陷器件的正常分布。图6示出极管样品批的4V分布，直方图包络的左手边下降相当快，而另一边向右倾斜很大。这种情况的产生，因为左手边受绝对最好的热流抑制，该热流可以用给出芯片的组装材料和丁序来获得，另一边没有那样的抑制，因为安装了如此拙劣的芯片而没有极限。

图6典型的AY分布

设置4s、Cu或Zi最大极限的通常经验方法是使用分布平均值加三倍标准偏差（），例

(4Vr) = AV +Xα4

(CU) = CU+Xα 4

- 10 -

(Zmi--) Zh--x +X, 4

式中：3（火多数情况下)。

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要求的统计数据，在步骤11的条件下通过测试25只或更多的器件获得。用本方法确定的最大极限应与二极管的规定热阻相关。这将使4V或CU极限值保证使不符合热阻或瞬态热阻抗要求的二极管不通过步骤12：一口确定了测试条件和通过/失效极限，对于以后同类器件相同封装的测试要求，只需记录这些数据。

以上列出的步骤摘要在表1中。

表1测试程序步骤的摘要

一般说明

初始谢试

加热前线的产生

加热曲线的说明

最后测试

通过与失效的确

说明事项

详细规范中应规定下列细节：

6.1热瞬态和热平衡测量

6. 1. 1 应规定下列测试条件:a.Im：测量电流

bT加热电流

：加热时间

2MD：测量延迟时间

\sy取样窗口时间

应记录下列数据：

V：初始止向电压

YH：加热电压

VFt：最后正向电压

议器的精略调试，在10～15个样品器件中发现变化使用最高和低读数的器件产生加热帕线使用加热曲线以发现和芯片粘附区（或热流通道上的一些其它要求交界面）加热相对应的更恰当的组值。增长期间施加的加熟功率，是为了改善测益器件之间变化的灵敏性。

为确立失效极限可利用各种方法，统计法是最快和最容易实现的方法。

注：一些测试仪器可以提供4Vr，以代替和Y这足可接收的替换。记录4V值。-些测试仪器可以直接提供计算CL:或Rthi-x的显示，这足可接收的替换。记录CU或Rj-x值。

6.2K系数校止（对6.3a或6.3b任选，对6.3c、d或e则必须执行）6.2.1应规定下列测试条件

a.电流值

b．初始结温

KAorKAca-

北检院检验检测中心能够参考《SJ 20788-2000 半导体二极管热阻抗测试方法》中的检验检测项目，对规范内及相关产品的技术要求及各项指标进行分析测试。并出具检测报告。

检测范围包含《SJ 20788-2000 半导体二极管热阻抗测试方法》中适用范围中的所有样品。

测试项目

按照标准中给出的实验方法及实验方案、对需要检测的项目进行检验测试，检测项目包含《SJ 20788-2000 半导体二极管热阻抗测试方法》中规定的所有项目，以及出厂检验、型式检验等。

热门检测项目推荐

检测流程

线上咨询或者拨打咨询电话;

获取样品信息和检测项目;

支付检测费用并签署委托书;

开展实验，获取相关数据资料;

出具检测报告。

北检研究院的服务范围

1、指标检测：按国标、行标及其他规范方法检测

2、仪器共享：按仪器规范或用户提供的规范检测

3、主成分分析：对含量高的组分或你所规定的某种组分进行5~7天检测。

4，样品前处理：对产品进行预处理后，进行样品前处理，包括样品的采集与保存，样品的提取与分离，样品的鉴定以及样品的初步分析，通过逆向剖析确定原料化学名称及含量等共10个步骤;

5、深度分析：根据成分分析对采购的原料标准品做准确的定性定量检测，然后给出参考工艺及原料的推荐。最后对产品的质量控制及生产过程中出现问题及时解决。