CN102608511A

CN102608511A - 一种金属氧化物半导体管的结温和热阻测量方法

Info

Publication number: CN102608511A
Application number: CN2012100595022A
Authority: CN
Inventors: 钱钦松; 刘斯扬; 张頔; 孙伟锋; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: CN102608511B

Abstract

一种金属氧化物半导体管的结温和热阻测量方法，将放置有待测器件的绝缘基板放置在温度控制箱内，并将温度控制箱调至25℃，给待测器件漏源两端施加直流电压，在栅极上施加栅极直流工作电压，测量栅极上的电压为直流工作电压时待测器件漏源两端的电流，撤去栅极上的直流工作电压，再在栅极上施加方波脉冲电压，逐渐增加温度控制箱内部的温度，最高温度不超过测试器件结温，不断地测量待测器件漏源两端的漏电流，当测得的待测器件漏源两端的漏电流与待测器件漏源两端的电流相等时，以此时的温度控制箱内部温度作为等效结温，计算待测器件的热阻值。

Description

一种金属氧化物半导体管的结温和热阻测量方法

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，尤其涉及一种金属氧化物半导体管的结温和热阻测量方法。

背景技术

大规模集成电路的芯片制造完成后，除了采用厚膜工艺或薄膜工艺，将其进行二次集成的情况外，多数情况下都需要封装。大规模集成电路的封装又称为后工序。封装的作用在于为芯片提供电学连接、机械承载，使其便于操作使用，为大规模集成电路的使用者提供一个规范的安装结构与尺寸，避免芯片受外力作用、划伤、受水蒸气或者其他有害气体的侵蚀，有时候还可以在同一个封装结构内封装多个芯片，从而使集成电路芯片能够发挥正常的功能，并保证其具有高稳定性和可靠性。伴随着功率器件和芯片制造业的不断发展，对于半导体封装产业的投入也越来越大，封装产业也进入了一个高速发展时期。

半导体封装的设计和质量的好坏，对集成电路总体的性能优劣影响很大，因为封装应具有较强的机械性能、良好的散热性能、化学稳定性和电气性能。封装还必须充分地适应产品的需要和发展，由于各类产品的功能和应用不同，其总体结构和封装要求也往往不同，因此集成电路封装必须多种多样，才能满足各种产品的需要。

功率半导体器件在工作中总会产生一定的热量，倘若这些热量不能及时有效地传播出去，就会造成器件内部热积累，结温上升，使得器件可靠性降低，甚至造成器件功能失效，无法安全工作。

功率半导体器件的散热能力通常用封装热阻来表征，热阻越小，则散热能力越好。因此，正确了解封装热阻的物理意义、使用方式以及测量技术对于改进器件散热能力的分析和设计有很大的帮助。根据不同的需要，封装热阻有多种定义形式，最主要的为以下两种定义方式，各大半导体厂商也一般只给这两种定义的热阻信息。

a.结到外界环境的热阻R_θJA：在自然对流或强制对流条件下从芯片接面到大气中的热阻，用于比较封装散热的容易与否。

b.结到外壳的热阻R_θJC：是指热由芯片接面传到IC封装外壳的热阻，在测量时需接触一等温面，主要是用于评估散热片的散热性能。

目前对半导体器件工作温度和热阻的测量方法主要有：红外热像仪法、电学参数法、光谱法、光热阻扫描法及光功率法等。这些方法基于不同的测量原理，可以测量半导体器件表面的温度分布或者某种意义上的平均温度，这些方法往往都需要专用的测试设备或者复杂的测试***。如：红外扫描热像法是使用红外测温仪来表征器件表面温度分布。可以精确地测量器件的结温、结温分布和热阻参数，有助于在设计研制阶段采取纠正措施，提高器件的使用寿命，也可用于高可靠性器件的筛选。但是红外扫描设备结构复杂、操作方法复杂、测试效率低，须耗费较多的时间；成本高；而且只能对器件或芯片表面直接测量即器件或芯片是为封装或开封的状态，因此对实际器件或芯片成品的考核不能满足要求。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种简单快速的一种金属氧化物半导体管的结温和热阻测量方法，采用本发明后，只需使用常备测试设备及仪器，就能实现对半导体器件工作结温和稳态热阻的非破坏性测试。

本发明采用如下技术方案：

一种金属氧化物半导体管的结温和热阻测量方法，

步骤1将放置有待测器件的绝缘基板放置在温度控制箱内，并将温度控制箱调至25℃，依据待测器件安全工作区的范围，保证待测器件能够正常工作的前提下，给待测器件漏源两端施加直流电压，

步骤2在栅极上施加栅极直流工作电压，测量栅极上的电压为直流工作电压时待测器件漏源两端的电流，

步骤3撤去栅极上的直流工作电压，再在栅极上施加方波脉冲电压，所述方波脉冲电压的幅值等于步骤2所述的直流工作电压，占空比小于1％且周期不大于1毫秒，此后，逐渐增加温度控制箱内部的温度，最高温度不超过测试器件结温，待测器件漏源两端的漏电流会随着温度控制箱内部温度的逐渐升高而不断下降，使用电流测量设备不断地测量待测器件漏源两端的漏电流，

当测得的待测器件漏源两端的漏电流与由步骤2测得的待测器件漏源两端的电流相等时，记录下此时的温度控制箱内部温度并以此时的温度控制箱内部温度作为等效结温，并进入步骤5；

如果温度控制箱内部温度升高至待测器件所允许的最高结温时，所测得的漏电流依然高于步骤2所测得的漏电流，则撤去栅极上的方波脉冲电压，降低待测器件漏源两端的直流电压，返回步骤2，

步骤4计算待测器件的热阻值，根据公式，

R_{θJA} = \frac{T_{J} - T_{A}}{P_{H}} = \frac{T_{J} - T_{A}}{V_{ds} \cdot I_{ds}}

其中，T_J为步骤3中记录的等效结温，T_A为所设定的室温25℃，P_H为待测器件的功耗，V_ds为步骤2中待测器件漏源两端的电压值，I_ds为步骤2中所测得的待测器件漏源两端的电流值，R_θJA为待测器件结到环境温度的稳态封装热阻值，将测试所得数据带入上述公式，计算得到待测器件的稳态热阻值。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1.本发明的结温和热阻测试***成本低。与业内采用的热阻测试仪器相比，本发明的测试***所包含的设备及仪器，例如，温度控制箱、脉冲发生器、示波器、电源表等，均为一般电子实验室内部必备的测试设备及仪器，而市面上一套标准的热阻测试设备的报价一般在几十万至上百万左右，价格昂贵。

2.本发明的热阻测试方法操作简单，没有复杂的操作步骤，所需数据均通过仪器数字显示。

3.本发明的热阻测试方法是非破坏性的。与其他物理接触类方法以及光学类方法相比，本发明的测试方法对待测器件不会造成实质性的损坏，不需要对待测器件进行开封等操作。

4.本发明的热阻测试方法具有较广的适用范围。本发明提供的热阻测试方法不仅可以测试封装级半导体分立器件的结温及热阻，还可以测试符合本发明测试条件的封装级芯片中特定集成器件的结温及热阻值。此外，本发明也可以测试晶圆级半导体器件工作状态下的结温。

5.本发明的热阻测试***具有相当的灵活性。在实际的生产实践中，有时候需要半导体器件在不同的封装形式，不同的基板，不同环境温度下的结温及热阻信息。在这种情况下，只需要将实际的应用条件移植到该测试***中即可，非常方便。

6.本发明的热阻测试***不受待测器件封装形式的限制。

附图说明

图1为本发明的测试流程图。

图2为封装级半导体器件稳态热阻R_θJA的定义示意图。

图3为半导体器件自热效应示意图。

图4为待测器件工作在脉冲条件下，所测漏电流随环境温度的变化曲线图。

图5为待测器件工作在脉冲条件下，漏电流随栅脉冲周期的变化图。其中，栅脉冲的幅度、维持时间及上升下降沿时间均保持不变。

具体实施方式

一种金属氧化物半导体管的结温和热阻测量方法，

步骤3撤去栅极上的直流工作电压，再在栅极上施加方波脉冲电压，所述方波脉冲电压的幅值等于步骤2所述的直流工作电压，占空比小于1％且周期不大于1毫秒，在本实施例中，所述方波脉冲电压的幅值等于步骤2所述的直流工作电压，占空比为0.5％且周期1毫秒，此后，逐渐增加温度控制箱内部的温度，最高温度不超过测试器件结温，待测器件漏源两端的漏电流会随着温度控制箱内部温度的逐渐升高而不断下降，使用电流测量设备不断地测量待测器件漏源两端的漏电流，

步骤4计算待测器件的热阻值，根据公式，

R_{θJA} = \frac{T_{J} - T_{A}}{P_{H}} = \frac{T_{J} - T_{A}}{V_{ds} \cdot I_{ds}}

本发明的工作原理是：

对于半导体器件，热阻的计算公式可以表示为，

R_{θJX} = \frac{{[{ΔT}_{J}]}_{X}}{P_{H}} = \frac{T_{J} - T_{X}}{V_{ds} \cdot I_{ds}}

T_J＝Y_J0+ΔT_J

公式中的X为热阻定义的参考点，比如，测量器件结到工作环境的热阻，则X代表工作环境中的一点；若测量器件结到封装外壳的热阻，则X代表封装外壳上的一点。相应地，温升ΔT_J为待测半导体器件工作状态下的结温与参考点温度的差值。T_J0为初始温度，P_H为待测半导体器件的输入功率。其中，初始温度以及输入功率易于测得。因此，测试热阻的关键为如何测得器件在某一输入功率下的结温。

为了测得待测半导体器件在某一输入功率条件下的结温，我们采用如下原理。

首先，在给定环境温度T_A下，由于器件内部的功率损耗，会导致器件内部温度升高，载流子迁移率下降，器件的直流输出特性出现负阻效应。而当半导体器件工作在脉冲条件下时，由于在器件关断期间，有一定的时间予以散热，因此，半导体器件内部的平均温度相对直流条件下的平均温度要小的多。当施加脉冲的脉宽足够的小，占空比同样足够小时，器件的产热时间很少，散热时间很长，半导体器件的自热效应可以忽略不计，称之为去除自热状态。

当同一器件分别工作在直流状态和去除自热状态，且该器件漏源两端电压相同，栅压幅度相同，造成器件漏电流不一致的最主要区别即为器件工作在直流状态时，由于自热的影响，导致漏电流远小于器件工作在相同偏置下的去除自热状态下的漏电流。

此外，器件工作在去除自热状态时，器件内部的温度与外界环境温度相同，处于平衡状态，即器件内部温度会随着外部环境温度的变化而相应变化。此时，当逐渐升高环境温度时，器件漏电流会随之逐渐下降，环境温度继续升高，器件漏电流也会继续降低。当器件漏电流下降到与器件工作在相同偏置下的直流状态时的漏电流相等时，由于在相同的偏置条件下，器件的漏电流相同，代表器件内部的结温相同，因此，此时的环境温度即等效于器件工作在相同偏置条件下直流状态时器件内部的平均结温。

在通过该理论得到器件工作在某一偏置条件(即某一输入功率)下的内部结温后，通过热阻的计算公式便可得到器件的热阻值。

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

使用本发明所述方法时常备测试设备及仪器包括以下部分：脉冲发生器、电压源提供装置、电流测量设备、电压测量设备、温度控制箱，以及待测器件及基板。温度控制箱用于控制待测器件的环境温度，脉冲发生器用于给待测器件提供栅脉冲应力，电压提供装置用于给待测器件施加直流漏源电压和直流栅压，电压、电流测量设备用于实时监测待测器件漏源两端及栅端实际电压值以及漏源两端的电流值。

上述金属氧化物半导体管的结温和热阻测试***和方法，根据上述的金属氧化物半导体管的结温及热阻测试***进行测试，其特征在于测试操作步骤如下：

1.根据待测器件的封装形式及测试要求，选择切合实际的测试用基板，并通过高温导线将待测半导体器件的端口引出。同时，为便于后续四线探针法测量，待测器件的每个端口要同时引出两根高温线。

2.将待测器件放置在恒温箱内，并将恒温箱的温度设定为室温25℃。

3.给器件栅端施加恒定直流电压Vg＝5V，漏源两端施加恒定直流电压Vd＝3.88V。经过一段时间，当器件内外建立热稳态后，测得的待测器件的漏电流为0.283A。而用万用表测得的待测器件漏源两端的电压为3.855V。

4.撤销待测器件上步中施加的电应力。然后，给待测器件栅端施加方波脉冲，方波脉冲的幅度为Vg＝5V，通过不断调整栅脉冲参数，最终确定最小脉冲维持时间为tp＝3e-6s，脉冲周期T＝0.01s，如图5所示，当脉冲维持时间及幅度一定后，待测器件漏电流随着周期的增加而增加，最终趋于稳定，上升下降沿时间均为100ns。当待测器件内外热稳态建立后，测得的漏电流为0.485A；漏源两端施加恒定直流电压Vd＝3.95V，用数字示波器测得的待测器件在栅脉冲维持时间的末端对应的漏源两端的电压为3.855V，与待测器件工作在直流状态下的实际漏源电压值相一致。此时，环境温度仍为室温25℃。

5.当器件工作在上述脉冲条件下时，逐渐升高环境温度，观测待测器件的漏电流变化。当环境温度上升到132℃，且热稳态建立后，测得的待测器件的漏电流下降到0.283A。因此，此时的环境温度132℃即为待测器件工作在栅压为Vg＝5V，漏压Vd＝3.88V，环境温度为25℃，DC条件下的内部结温。如图4所示。

6计算热阻。根据公式，

R_{θJA} = \frac{T_{J} - T_{A}}{P_{H}} = \frac{T_{J} - T_{A}}{V_{ds} \cdot I_{ds}}

其中，T_J为结温132℃，T_A为环境温度室温25℃，V_ds为用万用表测得的待测器件漏源两端的实际电压3.855V，I_ds为待测器件工作在DC条件下时的漏电流0.283A。则，待测器件的稳态热阻为97.9℃/W。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明书所示附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims

1.一种金属氧化物半导体管的结温和热阻测量方法，其特征在于，

步骤4计算待测器件的热阻值，根据公式，

R_{θJA} = \frac{T_{J} - T_{A}}{P_{H}} = \frac{T_{J} - T_{A}}{V_{ds} \cdot I_{ds}}