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冯士维：为信息时代的心脏测温
文/庞贝 毛艳玲
人物简介
冯士维,工学博士、教授、博士生导师,北京工业大学微电子学院执行院长.国家科委国际合作项目和教育部留学基金评审专家,入选北京市科技新星计划、“百千万人才工程”国家级人选、享受国务院政府特殊津贴.
主要研究方向为微电子器件及光电子器件可靠性物理、新型半导体器件和技术、半导体光电子学等.主持和作为主要成员完成国家自然科学基金、北京市基金、总装备预研基金、国防科工委、北京市科委等纵向研究课题二十多项,主持与企业合作研究横向课题十多项.获北京市及省部级科技进步奖4项、发明专利23项,获国家发明博览会金奖1项.发表论文200余篇.
信息时代,与我们生活息息相关的一切信息产品都离不开这个心脏—“芯片”,然而芯片的热损耗却令人头疼.如何让芯片在可承受的温度内工作,保持“心脏”的健康“跳动”,工程师们都在殚精竭虑.
冯士维与他的研究团队新型半导体器件及可靠性研究室在这一领域先声夺人,研究出“半导体芯片温升测量与热阻构成测试技术”、“器件温度特性快速获取方法和技术”和“半导体芯片表面温度分布均匀性无损检测评价方法”等,以特殊而敏锐的“嗅觉”监控并预测芯片工作温升,避免芯片遭受高温下性能失效的灭顶之灾.我们为此采访了冯士维教授.
记者：“半导体芯片结温测量和热阻构成无损检测方法”的主要研究内容是什么？
冯士维：经过本项目的研究,建立起了通过器件本身电学参数无损获取芯片的工作结温,并通过对瞬态温升过程的测量以及理论算法,提取出从结温至大气环境不同材料部分对温升贡献和热阻构成.基于这些数据进一步检测、判断半导体器件芯片温度不均匀性及芯片有效粘接热接触面积的方法,以及基于该方法开发的实验设备,为半导体器件设计、工程应用等领域提供关键技术支撑.
目前,已实现了基于电学温敏参数法的LED（发光二级管）、VDMOS（硅基场效应功率器件）、LD（半导体激光器）、MEET（金属半导体场效应晶体管）、HEMT（高电子迁移率晶体管）器件的结温测量及热特性分析仪.支持瞬态和稳态热阻测试,以及热不均匀性分析的功能,并在GaAs（砷化镓）MEET器件进行了热不均匀性的测量分析.
这些技术一个明显的应用,就是利用热阻峰值谱的移动,快速、有效确定芯片粘接材料的退化,大大改进了传统的考核粘接材料热疲劳特性的功率循环方法.以热疲劳老化过程中监测器件芯片粘接部分热阻的退化作为失效判据,使实验方法的物理意义更加明确.我们利用此方法研究目前LED封装产业中最常用的金锡共晶和银浆粘接材料的热疲劳特性,并提出了一种递归扫描LED阵列温度不均匀性的方法,研制了可以在工艺生产线上使用的LED热阻筛选仪.
该技术在电子设备系统级散热优化方面也得到了扩展应用,实现了对军用微波射频功率系统模块、组件散热性能的优化,大大降低了系统由于温升过高引发带来的不可靠性因素.
记者：相关工作取得了哪些代表性成果？
冯士维：这些工作共取得了四项较为突出的成果.首先,完全自主研发出国际上较为先进的热阻构成结构函数方法,通过对测量的半导体器件瞬态温升响应曲线进行数学算法处理,有效获取热阻构成的峰值谱,可以获取器件有源区瞬态及稳态温升,以及不同材料部分的热阻构成.以此技术,分别研发出了LED、LD、MEET、VDMOS,GaN基和GaAs基HEMT器件的热阻测试仪,在获取有效数据的延迟时间等方面达到了国内领先,与国际知名商用半导体器件封装热特性测试仪器设备水平相当,广泛用于功率器件芯片粘接材料的功率循环考核.
其次,进一步分析器件温度不均匀性方法,以及功率循环考核芯片粘接质量方法.相对于传统红外热像法、X射线、超声波等方法,对半导体器件完全无损,不需要暴露芯片表面,整个测量过程仅涉及对器件进行电学操作及数据记录,是一种非常理想的无损检测手段,适用于生产线应用及实验室科研、可靠性考核应用.并形成了专利“一种测量半导体器件内部热接触面积的方法”（专利号：200710179493.x）.同时将该测量技术扩展至系统级电子设备的散热特性优化,以及特种结构如行波管热阻的测量（专利号：201510753767.6）.
第三,研究出快速测量器件参数温度变化系数的方法和技术.传统的器件参数随温度变化的测量是采用恒定环境温度下测量参数,再改变温度测量器件参数,每一个温度点恒温时间至少10－15分钟.为保证精度,多温度点测量花费时间就会更长,一条参数随温度变化曲线花费几个小时是很正常的事.我们发明了一种快速线性温升环境,使得测量器件电学参数时间仅为小于500秒,大大提升了测量效率.该技术重复性好、精度高,适用于半导体器件温度系数的快速测量.形成专利“一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法和装置”（专利号：201410266126.3）.
第四,将温升测试技术应用于LED工业生产中热阻的快速筛选,研制出可支持100路的LED热阻筛选仪设备（专利号：201110197798.x）,该设备可以被应用于LED封装生产线,进行灯具组装前的热阻筛选.代表性成果“LED封装热阻可靠性筛选仪”获全国发明博览会金奖.
以上成果共发表论文50余篇,其中在国际权威期刊发表并被SCI收录论文30余篇,EI收录10余篇,申报专利10余项,现已获授权9项.
记者：请您着重介绍一下“热阻测量的结构函数算法”.
冯士维：作为本项目的核心技术部分,“结构函数算法”最早由匈牙利专家提出并商用.由于该算法核心部分属于“know-how”范畴,致使所售仪器奇高.我们首次在国内自主掌握了该算法,并成功应用于商业化测试仪,降低数倍,具备了出色的性价比.并将该技术扩展至系统级设备、特种结构器件等温升的无损、快速测量上.为半导体器件的热特性分析提供了一种新颖的无损检测手段.
记者：这些成果是否实现应用,其价值和效益何在？
冯士维：利用这些技术先后开发的LED、LD、MEET、VDMOS、HEMT器件的热特性分析仪分别被华为、中电集团等单位采用,直接合同经费超过300万,节省替代进口设备价值近千万.同时应用产品品质提升,社会效益就更大了.
记者：您的团队的研究处于国际先进水平,除上述外,还有哪些代表性的成果,目前承担的项目有哪些？
冯士维：我们这个团队主要从事新型半导体器件及其可靠性研究,研究方向主要集中在：半导体器件结温测量技术研究、半导体器件失效分析、半导体器件可靠性评价、新型半导体器件等领域.
我们研发出了最新理念的半导体热特性分析仪“半导体器件结温/热阻测试仪”,采用行业最先进的瞬间温升测量技术,测量过程自动、快速、精确、非破坏性；在半导体器件失效分析领域,提出了一种利用结构函数方法检测LED芯片粘接材料热疲劳特性的方法,可以无损地检测出器件内部发生热疲劳分层失效的部位；提出了一种利用GaN（氮化镓）材料阴极荧光谱特征波长随温度变化的关系测量GaN基HEMT器件温升的方法,这是目前分辨率最高的器件温升测量方法.
目前,实验室承担国家自然科学基金、8 63课题、军方预研课题、重大科技专项和北京市基金等科研课题30余项.2003年以来,获批授权国家发明专利20余项,相关课题获省部级科技进步奖2项,发表学术论文200余篇.
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