CN100374872C - 半导体pn结二极管器件的温升和热阻测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属半导体器件测量领域。目前温升和热阻测量操作复杂,周期长,有的有破坏性。本发明装置:被测器件(401)放在恒温平台(403)上;计算机(100)通过接口(200)接采集器(205);(205)分三路:一路接三路开关(303),接到被测器件(401);二路接采样电阻(501)后接三路开关(303),再接测试电流源(201);(201)的一端接接口(200),一端接电流开关(301);三路接采样电阻(502)后接三路开关(303),再接工作电流源(202);(202)的一端接接口(200),一端接电流控制开关(301);(301)输入两端接测试电流源(201)和工作电流源(202);输出端接参考负载(402)和被测器件(401),控制端接时序发生器(203);采集器(204)一端接接口(200),一端接到高速截取放大器(302);高速截取放大器(302)接器件(401)。本发明非破坏性,可测瞬态加热响应曲线,从而分辨出器件热阻构成。
Description
技术领域:
该技术属于微电子技术中,半导体器件测量技术领域。该发明主要应用于半导体PN结器件(半导体发光管、半导体激光器和其它半导体二极管器件)的工作温升的测量。
背景技术:
半导体器件,特别是功率半导体器件工作时,会产生大量的热,致使半导体PN结处的温度升高。这将加速半导体器件的性能恶化。如工作寿命变短和器件的性能变差。影响半导体器件温升的因素一方面与器件工作时产生的热量有关;对于基于PN结发光器件还与其发光效率有关。施加电功率一定,发光效率越大,用于产生热量的功率就越少;另一因素则与从PN结处到周围环境散热的路程中,各环节材料散热特性相关。一般为半导体材料的芯片、焊料、热沉和封装管壳。准确测量出半导体器件工作时PN结处的温升一方面可以分析器件的材料质量和封装散热特性,另一方面也是实际应用设计中必须了解的重要参数。
目前测量半导体PN结器件温升和热阻的方法主要有红外热像仪法,通过表面的温度分布,测量出半导体器件的温升和热阻。对于发光器件,可以利用发光波长随温度的变化,测量其内部的温升。但这些测量技术操作复杂,测量周期长,有的器件还需打开器件管冒,带来一定的破坏性。
发明内容:
本发明的主要发明点在于:利用快速脉冲技术,发明了一种非破坏性测量半导体PN二极管瞬态和稳态工作温升及热阻的方法和装置,特别是可以测量出半导体PN结器件加功率后,PN结处温度随时间的上升过程,即瞬态加热响应曲线。通过该曲线可以分辨出器件的主要热阻构成。
本发明提供的一种半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置,其特征在于,包括以下部分,方框图见图1:
首先被测器件401放置在由调温的恒温平台403上;计算机100是实施测量的中心,测量指令的发送、测量数据传输和保存均由计算机100控制完成;计算机100通过总线接口200接出采集器205;采集器205分成三路,连接到一个可计算机控制的三路开关303,完成三个稳态工作电参数的采集:一路直接通过三路开关303,接到被测器件401,直接采集被测器件401两端的电压;从采集器205引出的第二条线串接一个测试电流采样电阻501后,接入三路开关303,再从三路开关303接入到测试电流源201;采集测试电流采样电阻501上的电压,将电压除以电阻得到被测器件401的测试电流;测试电流源201的一端接到接口200,接受由计算机100设定的工作电流指令;201的另一端接到电流开关301;从采集器205引出的第三条线串接一个工作电流采样电阻502后,接入三路开关303,再从三路开关303接入到工作电流源202;采集工作电流采样电阻的电压,将电压除以电阻得到被测器件401的工作电流;工作电流源202的一端接到接口200,接受由计算机100设定的工作电流指令;工作电流源202另一端接到电流控制开关301;
电流控制开关301的两输入端分别接入从测试电流源201输出的测试电流和从工作电流源202输出的工作电流;两输出端一端接到参考负载402,一端接到被测器件401;另外一端接到时序发生器203;由计算机设定的从测试电流源201输出的测试电流,在测量过程中,一直经过电流控制开关301,输出到被测器件401上;由计算机100设定的从工作电流源202输出的工作电流,受电流控制开关301的控制端,从时序发生器203输出过来的时序控制;当被测器件401工作时,电流输出到被测器件401上;测量时,该电流则流向参考负载402;
被测器件401两端在测试电流下的电压是由采样频率1.25Mhz以上、12位以上高速采集器204完成的;采集器204一端接到接口200,接受和发送指令和数据从或者到计算机100,一端接到高速截取放大器302;高速截取放大器302接到被测器件401;高速截取放大器302的功能是截取掉大部分不变化的成分,有效放大随温度变化的部分,保证测量的精度;测试电流下被测器件401两端的电压经高速截取放大器302截取放大后,由高速采集器204采集并传到计算机100,显示出采集的电压波形。
高速截取放大器302接出了参考电压电位器304。未接参考电压电位器304时,针对一种结电压的器件,截取的电压是固定的。当器件的结电压变化较大,或不同器件时,截取的部分过少、或过多都不能有效放大随温度变化的部分。这样会牺牲测量精度。增加参考电压电位器304后,无论什么器件,通过计算机显示器采集的波形,调节电位器,选定要截取的结电压部分。这样不受结电压变化的影响,每次都能充分保证利用放大器的放大区间。
使用上述连接的装置,测量被测器件401温度系数的方法:
1将被测器件401接触放置在可调温度的恒温平台403上;接好被测器件401上的两端导线;设恒温平台的温度为T1;
2通过计算机100设置工作电流为零,设置一个控制脉冲;该控制脉冲在时间上有高低电平两种状态;高电平持续的时间为tH,低电平持续时间为tL;该电流脉冲在时间上是持续重复的;参考图2;
3计算机100通过接口200,在控制脉冲每次由高电平向低电平转换的下降沿,触发高速采集器204,采集经高速截取放大器302截取、放大被测器件401在测试电流下的两端电压;
4高速截取放大器302固定截取、放大被测器件401两端电压中含有随温度变化的部分,输出给高速采集器204;由于每次控制脉冲的下降沿都触发采集被测器件401两端的电压,通过计算机采集多次后,再做平均,得到T1温度下,未加工作电流时,测试电流下的401两端电压Vpn1,经接口200传到计算机100,并显示采集的结电压波形;
5将恒温平台升高温度到T2,重复步骤3、步骤4测量相同测试电流下的端电压Vpn2,其温度系数是=(Vpn2-Vpn1)/(T2-T1);即温度每升高一度测试电流下PN结电压的改变量;或者选择多次改变恒温平台温度,重复步骤3、4的测量;然后利用最小二乘法计算出温度系数。选择多次改变恒温平台温度可以提高温度系数精度。温度系数测量后,数据存盘。只要保持相同的测试电流,温度系数就可以使用。
在步骤4中,当使用增加的参考电压电位器304时,通过调节电位器,在计算机100显示的结电压波形中,选定截取放大的部分;这样可以充分截取测试电流下,被测器件401两端电压中随温度变化部分,提高测量精度;一旦选定参考电压电位器304后,就不可再调节304的电阻值。
使用上述连接的装置,测量被测器件温升和热阻的方法
I、将被测器件401接触放置在可调温度的恒温平台403上;连接好被测器件401两根导线;设恒温平台温度为T0;
II、保持与测量温度系数相同的测试电流下,通过计算机100设定工作电流为零,设置一个控制脉冲;该控制脉冲在时间上有高低电平两种状态;高电平持续的时间为tH,低电平持续时间为tL;该电流脉冲在时间上是持续重复的;参考图2;计算机100通过接口200,在控制脉冲每次由高电平向低电平转换的下降沿,触发高速采集器204,采集经高速截取放大器302截取、放大被测器件401在T0温度下、未加工作电流时仅加测试电流下的两端电压;由于每个下降沿都触发采集被测器件401两侧的电压,可以采集多次,再做平均得到V1;参考图3。
III、通过计算机100设定加工作电流脉冲;该脉冲从0到t1时间段,工作电流为零,只有测试电流I0;t1时刻开始,该电流脉冲为工作电流Iw和测试电流I0之和;到t2时刻,加载的工作电流为零,工作电流的持续时间段为tH;参考图4;
IV、执行测量程序;计算机100发送指令经接口200到时序发生器203,执行电流脉冲的0-t1时间段,此时只有测试电流通过被测器件401;当t1时刻到达后,计算机100发送指令经接口200到时序发生器203,执行电流脉冲的t1-t2时间段,工作电流和测试电流叠加后加载到被测器件401;工作电压为V2;此时工作电流使被测器件温度升高;
V、当t2时刻到达后,计算机100控制电流控制开关301处的电流流向参考负载402;同时触发高速采集器204,采集经高速截取放大器302截取、放大被测器件401在测试电流下的两端电压V3;参考图4;
VI、测得的V3与步骤II测得的V1差就是由于工作电流产生温升,带来的变化;随时间增加,V3与V1的差变小,逐渐趋于零;V3与V1的差V3-V1,再除以温度系数α就是测量的设定工作电流和设定的工作电流施加时间段tH内,使被测器件401的产生的温升,ΔT=(V3-V1)/α;
VII、被测器件401工作时电流和电压的采集,是将步骤III中工作电流脉冲中的tH设定为超过5分钟,使之为稳定直流工作;运行执行程序;此时由计算机100控制三路开关303、采集器205分别采集被测器件401两端的电压V2、工作电流Iw和测试电流I0,并输出到计算机100;采集后,计算机100控制工作电流为零;对于非发光器件,施加的功率=V2×Iw,温升除以功率就是热阻,Rth=ΔT/(V2×Iw)。
在步骤II和V中,当使用增加的参考电压电位器304时,通过调节电位器,在计算机100显示的结电压波形中,选定截取放大的部分,输出到高速采集器204;这样可以充分截取测试电流下,被测器件401两端电压中随温度变化部分,提高测量精度。
在步骤III中,由于t2的值可以由计算机设定,可以设定一个n次测量组;该测量组中,每次除了tH增加外,其余不变,即tH1,tH2,tH3,。。。tHn;其中n为1,2……自然数;电流持续时间tH值从几个微秒,增加到几百秒;参考图5;每个tHn下,都能测得一个温升ΔTn;以ΔT为纵坐标,以工作电流持续时间tH为横坐标绘出曲线;该曲线就是被测器件401施加电流后,内部温度升高随时间的变化过程,即加热响应曲线;参考图
6;通过该曲线可以获得很多被测器件的散热性质;对于非发光器件也可以用热阻Rth为纵坐标,tH为横坐标,绘制Rth与tH曲线。
附图说明
图1测试装置结构方框图
图2控制脉冲时序图
图3施加工作电流前后,被测器件两端测试电流下和工作电流下的电压
图4加工作电流的时序脉冲
图5一个n次测量组的时序脉冲
图6加热响应曲线的示意图
具体实施方式
首先被测器件401放置在可调温的恒温平台403上,恒温平台可以使用半导体致冷器构成。计算机100是实施测量的中心,测量指令的发送、测量数据传输和保存均由计算机100控制完成,计算机可使用IBM系列兼容机。计算机100通过总线接口200接出采集器205,总线接口可使用74HC245构成,采集器可使用高速AD转换器AD574。采集器205分成三路,连接到一个可计算机控制的三路开关303,三路开关可使用IRF530构成,完成三个稳态工作电参数的采集:一路直接通过三路开关303,接到被测器件401,直接采集401两端的电压;从采集器205引出的第二条线串接一个测试电流采样电阻501后,采样电阻可使用低温度系数的合金带电阻,接入三路开关303,再从三路开关303接入到测试电流源201,测试电流源使用OP07和IRF9530构成。采集测试电流采样电阻501上电压,得到被测器件401的测试电流。测试电流源201的一端要接到接口200,接受由计算机100设定的工作电流指令。201的另一端接到电流开关301,电流开关可以使用IRF530构成;从采集器205引出的第三条线串接一个工作电流采样电阻502后,采样电阻同样使用低温度系数的合金带电阻,接入三路开关303,再从三路开关303接入到工作电流源202,工作电流源使用OP07和IRF9530构成。采集工作电流采样电阻的电压,得到被测器件401的工作电流。工作电流源202的一端接到接口200,接受由计算机100设定的工作电流指令。工作电流源202另一端接到电流控制开关301。
电流控制开关301的输入两端分别接入从测试电流源201输出的测试电流和从工作电流源202输出的工作电流;两输出端一端接到参考负载402,参考负载使用与被测器件具有相近的正向压降的器件,一端接到被测器件401;另外一个控制端接到时序发生器203,时序发生器可由单片机MCS-51构成。由计算机设定的从测试电流源201输出的测试电流,在测量过程中,一直经过电流控制开关301,输出到被测器件401上。由计算机100设定的从工作电流源202输出的工作电流,受电流控制开关301的控制端,从时序发生器203输出过来的时序控制。当器件工作时,电流输出到被测器件401上;测量时,该电流则流向参考负载402。
被测器件401两端在测试电流下的电压是由采样频率1.25Mhz以上、12位以上高速采集器204完成的,高速采集器可使用高速AD转换器AD574。采集器204一端接到接口200,接受和发送指令和数据从或者到计算机100,一端接到高速截取放大器302,高速截取放大器可以由超高速运算放大器OPA643构成。高速截取放大器302接到被测器件401。高速截取放大器302的功能是截取掉大部分不变化的成分,有效放大随温度变化的部分,保证测量的精度。测试电流下被测器件401两端的电压经高速截取放大器302截取放大后,由高速采集器204采集并传到计算机100,显示出采集的电压波形。
高速截取放大器302接出了参考电压电位器304,参考电压电位器可用精密多圈电位器构成。
本发明的半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量方法的具体实施方式如前所述,本处不再赘述。
Claims (7)
1.一种半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置,其特征在于,包括以下部分:
被测器件(401)放置在可调温的恒温平台(403)上;计算机(100)是实施测量的中心,测量指令的发送、测量数据传输和保存均由计算机(100)控制完成;计算机(100)通过总线接口(200)接出采集器(205);采集器(205)分成三路,连接到一个由计算机控制的三路开关(303),完成三个稳态工作电参数的采集:一路直接通过三路开关(303),接到被测器件(401),直接采集被测器件(401)两端的电压;从采集器(205)引出的第二条线串接一个测试电流采样电阻(501)后,接入三路开关(303),再从三路开关(303)接入到测试电流源(201);采集测试电流采样电阻(501)上的电压,将电压除以电阻得到被测器件(401)的测试电流;测试电流源(201)的一端接到接口(200),接受由计算机(100)设定的工作电流指令;测试电流源(201)的另一端接到电流开关(301);从采集器(205)引出的第三条线串接一个工作电流采样电阻(502)后,接入三路开关(303),再从三路开关(303)接入到工作电流源(202);采集工作电流采样电阻的电压,将电压除以电阻得到被测器件(401)的工作电流;工作电流源(202)的一端接到接口(200),接受由计算机(100)设定的工作电流指令;工作电流源(202)另一端接到电流控制开关(301);
电流控制开关(301)的两输入端分别接入从测试电流源(201)输出的测试电流和从工作电流源(202)输出的工作电流;电流控制开关(301)两输出端一端接到参考负载(402),一端接到被测器件(401);电流控制开关(301)另外一个控制端接到时序发生器(203);由计算机设定的从测试电流源(201)输出的测试电流,在测量过程中,一直经过电流控制开关(301),输出到被测器件(401)上;由计算机(100)设定的从工作电流源(202)输出的工作电流,受电流控制开关(301)的控制端,从时序发生器(203)输出过来的时序控制;时序发生器(203)一端接到接口(200),接受由计算机(100)设定的指令;当被测器件(401)工作时,电流输出到被测器件(401)上;测量时,该电流则流向参考负载(402);
被测器件(401)两端在测试电流下的电压是由采样频率1.25Mhz以上、12位以上高速采集器(204)完成的;采集器(204)一端接到接口(200),接受和发送指令和数据从或者到计算机(100),一端接到高速截取放大器(302);高速截取放大器(302)接到被测器件(401);测试电流下被测器件(401)两端的电压经高速截取放大器(302)截取放大后,由高速采集器(204)采集并传到计算机(100),显示出采集的电压波形。
2.根据权利要求1所述的半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置,其特征在于,高速截取放大器(302)接出参考电压电位器(304)。
3.使用权利要求1所述的半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置,测量被测器件(401)温度系数的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将被测器件(401)接触放置在可调温度的恒温平台(403)上;接好被测器件(401)上的两端导线;设恒温平台的温度为T1;
2)通过计算机(100)设置工作电流为零,设置一个控制脉冲;该控制脉冲在时间上有高低电平两种状态;高电平持续的时间为tH,低电平持续时间为tL;该电流脉冲在时间上是持续重复的;
3)计算机(100)通过接口(200),在控制脉冲每次由高电平向低电平转换的下降沿,触发高速采集器(204),采集经高速截取放大器(302)截取、放大被测器件(401)在测试电流下的两端电压;
4)高速截取放大器(302)固定截取、放大被测器件(401)两端电压中含有随温度变化的部分,输出给高速采集器(204);由于每次控制脉冲的下降沿都触发采集被测器件(401)两端的电压,通过计算机采集多次后,再做平均,得到T1温度下,未加工作电流时,测试电流下的(401)两端电压Vpn1,经接口(200)传到计算机(100),并显示采集的结电压波形;
5)将恒温平台升高温度到T2,重复步骤3、步骤4测量相同测试电流下的端电压Vpn2,其温度系数是α=(Vpn2-Vpn1)/(T2-T1);即温度每升高一度测试电流下PN结电压的改变量;或者选择多次改变恒温平台温度,重复步骤3、4的测量;然后利用最小二乘法计算出温度系数。
4.根据权利要求3所述的测量被测器件(401)温度系数的方法,其特征在于,在步骤4中,当使用增加的参考电压电位器(304)时,通过调节电位器,在计算机(100)显示的结电压波形中,选定截取放大的部分。
5.使用权利要求1所述的半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置,测量被测器件温升和热阻的方法,其特征在于,包括以下步骤:
I、将被测器件(401)接触放置在可调温度的恒温平台(403)上;
连接好被测器件(401)两根导线;设恒温平台温度为T0;
II、保持与权利要求3所述的测量温度系数相同的测试电流下,通过计算机(100)设定工作电流为零,设置一个控制脉冲;该控制脉冲在时间上有高低电平两种状态;高电平持续的时间为tH,低电平持续时间为tL;该电流脉冲在时间上是持续重复的;计算机(100)通过接口(200),在控制脉冲每次由高电平向低电平转换的下降沿,触发高速采集器(204),采集经高速截取放大器(302)截取、放大被测器件(401)在T0温度下、未加工作电流时仅加测试电流下的两端电压;由于每个下降沿都触发采集被测器件(401)两侧的电压,可以采集多次,再做平均得到V1;
III、通过计算机(100)设定加工作电流脉冲;该脉冲从0到t1时间段,工作电流为零,只有测试电流I0;t1时刻开始,该电流脉冲为工作电流Iw和测试电流I0之和;到t2时刻,加载的工作电流为零,工作电流的持续时间段为tH;
IV、执行测量程序;计算机(100)发送指令经接口(200)到时序发生器(203),执行电流脉冲的0-t1时间段,此时只有测试电流通过被测器件(401);当t1时刻到达后,计算机(100)发送指令经接口(200)到时序发生器(203),执行电流脉冲的t1-t2时间段,工作电流和测试电流叠加后加载到被测器件(401);工作电压为V2;此时工作电流使被测器件温度升高;
V、当t2时刻到达后,计算机(100)控制电流控制开关(301)处的电流流向参考负载(402);同时触发高速采集器(204),采集经高速截取放大器(302)截取、放大被测器件(401)在测试电流下的两端电压V3;
VI、测得的V3与步骤II测得的V1差就是由于工作电流产生温升,带来的变化;随时间增加,V3与V1的差变小,逐渐趋于零;V3与V1的差V3-V1,再除以温度系数α就是测量的设定工作电流和设定的工作电流施加时间段t3-t2内,使被测器件(401)的产生的温升,ΔT=(V3-V1)/α;
VII、被测器件(401)工作时电流和电压的采集,是将步骤III中工作电流脉冲中的tH设定为超过5分钟,使之为稳定直流工作;运行执行程序;此时由计算机(100)控制三路开关(303)、采集器(205)分别采集被测器件(401)两端的电压V2、工作电流Iw和测试电流I0,并输出到计算机(100);采集后,计算机(100)控制工作电流为零;对于非发光器件,施加的功率=V2×Iw,温升除以功率就是热阻,Rth=ΔT/(V2×Iw);
6.根据权利要求5所述的测量被测器件温升和热阻的方法,其特征在于,在步骤II和V中,当使用增加的参考电压电位器(304)时,通过调节电位器,在计算机(100)显示的结电压波形中,选定截取放大的部分,输出到高速采集器(204)。
7.根据权利要求5所述的测量被测器件温升和热阻的方法,其特征在于,
在步骤III中,t2的值由计算机设定,设定一个n次测量组;该测量组中,每次除了tH增加外,其余不变,即tH1,tH2,tH3,。。。tHn;其中n为1,2……自然数;电流持续时间tH值从几个微秒,增加到几百秒;每个tHn下,测得一个温升ΔTn;以ΔT为纵坐标,以工作电流持续时间tH为横坐标绘出曲线;该曲线就是被测器件(401)施加电流后,内部温度升高随时间的变化过程,即加热响应曲线;对于非发光器件用热阻Rth为纵坐标,tH为横坐标,绘制Rth与tH曲线。
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