CN101093241A

CN101093241A - 控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备

Info

Publication number: CN101093241A
Application number: CN 200610089332
Authority: CN
Inventors: 贾颖; 李逗; 曾晨晖; 曹红; 李霁红
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2007-12-26

Abstract

一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，是由控制系统、电源系统及试验工作台组成。该控制系统是由主控计算机系统和结温测控系统组成。该主控计算机系统包括有主控计算机及数据采集卡和I/O控制卡，数据采集卡和I/O控制卡位于主控计算机内部，它们一起构成了主控计算机系统。数据采集卡与各个受试样管的基极和发射极相连；I/O控制卡和稳态工作试验台电源相连。结温测量及控制系统通过铂电阻监控受试样管的壳温，铂电阻粘贴在受试样管的管壳上，同时结温测量及控制系统与制冷风扇连接，控制制冷风扇的开关状态。该电源系统由两组直流稳压电源组成。它能够实时测量和控制受试样管的结温，提高功率晶体管稳态工作寿命试验的可信度。

Description

控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备

一.技术领域

本发明是一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，属于半导体器件可靠性试验的性术领域。

二.背景技术

稳态工作寿命试验是考核功率晶体管可靠性的行之有效的方法，现行国际标准IEC747-7-1988和与之等同的我国国家标准GB/T4587-94以及美国军用标准MIL-STD-750D均将该试验规定为必须试验项目。

稳态工作寿命试验条件要素包括：

①晶体管的电应力。例如，IEC747-7、GB/T4587以及美军标MIL-STD-750规定的功率晶体管稳态工作寿命试验的电应力均为与规定壳温T_c相应的最大额定功率P_totmax。

②晶体管的结温T_j。通常在最高允许结温T_jmax附近。例如，我国军用标准GJB128A-97《半导体分立器件试验方法》方法1039中的试验条件B对底座或散热器安装的双极型晶体管，结温规定为

③晶体管稳态持续工作时间。例如，GJB33A-97《半导体分立器件总规范》对质量一致性检验C6分组稳态工作寿命试验条件规定为稳态持续工作时间“在最高结温下至少1000小时”。

现行的功率晶体管稳态工作寿命试验设备都是按恒定壳温设计的，试验中无法测量结温。若想获取晶体管的结温，则需要根据公式(1)进行计算。

T_j＝P_totmax×R_th(j-c)+T_c (1)

式中T_j为晶体管的结温，T_c为晶体管的壳温，P_totmax为与规定壳温T_c相应的晶体管稳态工作最大额定功率，R_th(j-c)为晶体管的结-壳热阻(设计值)。

可以看出，只有当晶体管的结-壳热阻R_th(j-c)为设计值时，晶体管的结温才可能达到最高允许结温T_imax。而功率晶体管的结-壳热阻R_th(j-c)实际值一般都小于设计值。例如以B2-01型式封装的3DD63型晶体管，其最大额定功率P_totmax＝50瓦(T_c＝75℃)，当结-壳热阻R_th(j-c)设计值为2摄氏度每瓦(℃/W)时，结温T_j才可能达到最高允许结温T_jmax＝175℃。但是测量表明：以B2-01型式封装的3DD63型晶体管的结-壳热阻R_th(j-c)一般不大于1.3摄氏度每瓦(℃/W)，其实际结温T_j≤140℃，低于标准要求的结温

以致在规定试验时间内达不到剔除缺陷产品的目的，从而降低了试验的可信度。

现有的大功率晶体管老化设备存在一些不足：例如大多采用水冷散热的方式控制壳温；试验过程中由操作人员定时测量壳温并通过人工调整散热条件的方式来控制壳温。而且由于受试样管之间存在热关联，无法保证受试样管的壳温稳定在规定值范围内，一旦晶体管壳温失控，超过规定的温度，将可能导致器件失效。此外试验过程中样管的电参数的变化，特别是高温下的电参数的变化情况，对评价样管的可靠性具有重要的意义。但是现行方法和设备在试验过程中不对受试样管的电参数和热敏电参数进行监控，除非样管发生短路、开路等极端情况才终止试验，否则试验定时结尾才对样管进行电参数测试，这也可导致试验的可信度降低。

显然，要符合标准规定的试验应力要求，则需要在稳态工作寿命试验过程中实施结温T_j的监测和控制。在标准规定应力下取得的试验数据，才能反映晶体管在额定应力下工作时的实际可靠性特征。在稳态工作条件下实现对受试晶体管结温测量和控制，可以提高试验的可信度。

三.发明内容

本发明的目的是提供一种在稳态工作寿命试验过程中，能够实时测量和控制受试样管结温的试验设备，提高功率晶体管稳态工作寿命试验的可信度。

本发明一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，它是由控制系统(包括主控计算机系统和结温测控系统)、电源系统及试验工作台组成。

该控制系统是由主控计算机系统和结温测控系统组成。该主控计算机系统包括有主控计算机及数据采集卡和I/O控制卡，数据采集卡和I/O控制卡位于主控计算机内部，它们一起构成了主控计算机系统。数据采集卡与各个受试样管的基极和发射极相连，用于实时采集受试样管的正向压降V_BE；I/O控制卡和稳态工作试验台电源相连，用于控制受试样管工作电流I_H的通断状态。主控计算机接收和处理来自数据采集卡的信息、控制受试样管工作电流I_H的通断状态和时间，实现对发射结正向压降V_BE的测量。结温测控系统的功能是控制各个制冷风扇开关状态和时间，实现对受试样管结温的控制。结温测量及控制系统通过铂电阻监控受试样管的壳温，铂电阻粘贴在受试样管的管壳上，可将测得的温度反馈给结温测量及控制系统，同时结温测量及控制系统与制冷风扇连接，控制制冷风扇的开关状态。结温测控系统的工作原理是：功率晶体管在稳态工作期间结-壳温差(ΔT_j-c)近似为确定值，可以通过对壳温T_c的调节来实现对结温T_j的控制。试验过程中，结温测控系统通过受试样管管壳上的铂电阻来监测其壳温，当某个受试样管的壳温超出标准规定值时，结温测控系统自动接通其制冷风扇，当壳温降到规定值时，制冷风扇停止工作，从而使每个受试样管的结温受控。

该电源系统是由两组直流稳压电源组成，第一组测量电源32提供测量电流I_M，为结温测控系统供电；第二组稳态工作试验台电源31为受试样管41提供稳态工作电功率。测量受试样管正向压降V_BE的测量电流I_M较小，一般为1mA～50mA，为了减小测量电流I_M对结温T_j的影响，测量电流I_M通常可选1mA～10mA。而试验过程中受试样管稳态工作电流较大，一般为0.1A～10A，主要由稳态工作试验台电源提供。由于测量电流I_M与工作电流I_H量级不同，为了便于测量电流I_M和工作电流I_H的设定及工作电流I_H的通断控制，稳态工作试验中两组独立电源分别将工作电流I_H和测量电流I_M施加于受试样管，测量电流I_M始终存在；而在测量正向压降V_BE时，主控计算机控制工作电流I_H断开，待完成正向压降V_BE数据采集后，再由主控计算机控制工作电流I_H接通，使受试样管回到稳态工作状态。

其中，该数据采集卡选用1713卡。

其中，该I/O控制卡选用1734卡。

本发明一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，具有如下的优点和功效：

(1).实现了结温的测量与控制：

控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备与现有的大功率晶体管老化设备最大的区别是实现了试验过程中晶体管结温的测量与控制，使晶体管结温在整个试验周期内都符合标准规定值。

(2)各个工位热隔离，电热应力条件一致：

控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，各工位采用独立散热器加独立风扇的风冷散热方式，配合结温测控系统实时检测壳温并控制各工位制冷风扇开关状态和时间，实现对受试样管结温的控制。这种方式的优点是各工位相对独立，可单独进行检测和控制，从而达到各工位电热应力条件一致性的要求。而现有大功率晶体管老化设备多采用水冷散热控温方式。这种散热方式的弊端是：循环水对每个工位的制冷效率不均衡。冷却水流经各工位时，水温不断升高，对每个工位受试样管热交换效率不平等---冷却系统的入口处温度低于出口处，导致受试样管的个体差异，难以保证各受试样管的一致性。

(3)各工位受试样管热贡献可甄别：

控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备的试验工作台的基板为低热传导率材料，而现有的大功率晶体管老化设备试验工作台多采用金属材料制成，同时由于各受试样管的管壳紧密贴合在实验工作台上，导致各工位受试样管“共热”产生相互影响。控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备克服了现有的大功率晶体管老化设备各工位受试样管热贡献不可甄别的缺点，有利于暴露和剔除缺陷产品。

(4)采用模块化设计，便于扩展：

控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备采用模块化设计，将主控计算机系统、结温测控系统、电源系统及试验工作台各部分彼此分离，这种设计的优点是便于扩展、易于维护；而现有的大功率晶体管老化设备一般由电源系统、老炼工作台系统和水冷却系统三部分组成，体积比较庞大，且不具备扩展性(一般设计为48工位)。而控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备拓宽了设备适用范围-可同时兼顾元器件鉴定试验和产品出厂筛选试验的需要。

四.附图说明

图1是本发明的设备原理框图。

图2是本发明的各部分结构组成图。

图3-1为试验工作台主视图。

图3-2为试验工作台俯视图。

图中标号及符号说明如下：

1.主控计算机系统；11.主控计算机；12.I/O控制卡(即1734卡)；

13.数据采集卡(即1713卡)；

2.结温测控系统；21.结温测量及控制系统；22.散热系统；

3.电源系统；31.稳态工作试验台电源；32.测量电源；

4.试验工作台；41.受试样管；42.散热片；43.制冷风扇；

44.基板；

51.电位器；52.200V数字电压表；53.2V数字电压表；

54.12位选择开关；

T_c--晶体管壳温；T_j--晶体管结温；T_jmax--晶体管最高允许结温；

P_totmax--晶体管最大额定功率；R_th(j-c)--晶体管的结-壳热阻；

ΔT_J-C--结-壳温差；V_BE--晶体管发射结正向压降；

I_M--测量电流；I_H--工作电流。

五.具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，它是由控制系统(包括主控计算机系统1和结温测控系统2)、电源系统3及试验工作台4组成。该控制系统是由主控计算机系统1和结温测控系统2组成。

该主控计算机系统1包括有主控计算机11及数据采集卡(即1713卡)13和I/O控制卡(即1734卡)12。数据采集卡13与各个受试样管41的基极和发射极相连，数据采集卡13用于实时采集受试样管41基极和发射极两极之间的正向压降V_BE并输入主控计算机11进行处理与纪录。I/O控制卡12和稳态工作试验台电源31相连，用于控制受试样管41工作电流I_H的通断状态。

结温测量及控制系统21采用TE系列温控仪，通过附着在受试样管41上的铂电阻，监控受试样管41的壳温T_c，一旦超过标准限定的范围，即接通该工位制冷风扇43进行制冷，待壳温回落至规定值以下后停止制冷，继续监控。

该电源系统3由测量电源32和稳态工作试验台电源31组成。测量电源32用于提供测量受试样管41正向压降V_BE的测量电流I_M，为结温测控系统供电，其大小一般为1mA～50mA；该稳态工作试验台电源31用于提供受试样管41工作过程中所需工作电流I_H，其大小一般为0.1A～10A。

整台试验设备请参阅图2所示：

该数据采集卡13和I/O控制卡12位于主控计算机11内部，它们一起构成了主控计算机系统1。该数据采集卡13与各个受试样管41的基极和发射极相连，用于采集受试样管41的正向压降V_BE；I/O控制卡12和稳态工作试验台电源31相连，用于控制工作电流I_H的通断状态。结温测量及控制系统21通过铂电阻监控受试样管41的壳温，铂电阻粘贴在受试样管41的管壳上，可将测得的温度反馈给结温测量及控制系统21，同时结温测量及控制系统21与制冷风扇43连接，控制制冷风扇43的开关状态。

请参阅图3所示，该试验工作台4的每块基板44上可放置受试样管41的工位数可扩展。每一工位包括散热片42、受试样管41及制冷风扇43各一个。散热片42固定在基板44上，每个受试样管41用螺丝固定于对应的散热片42的表面，位于基板44下方的是制冷风扇43。

本发明一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，其使用方法是：

首先将各工位受试样管41安装在散热片42上，然后将散热片42固定在基板44上，同时铂电阻与结温测量及控制系统21相连，用于监测各受试样管41稳态工作时的壳温T_c。打开主控计算机11并运行控制软件，打开稳态工作试验台电源31和测量电源32为受试样管41上电。然后用主控计算机11通过I/O控制卡12控制工作电流I_H断开，根据2V数字电压表53的示值，利用电位器51调整测量电流I_M的大小，使其满足试验要求值。之后接通工作电流I_H，根据200V数字电压表52的示值，调整受试样管41的电压和电流值，使其达到试验要求的额定功率。然后控制软件进入自动监控状态：对所有受试样管41施加测量电流I_M和工作电流I_H，使受试样管41处于稳态工作状态，稳态工作至壳温稳定时，由I/O控制卡12控制第一工位受试样管41工作电流I_H断开，同时数据采集卡13在极短时间(最高采样速率100kHz)内进行高速采样，待采样过程结束后，再由I/O控制卡12接通工作电流I_H使该工位受试样管41继续保持稳态工作状态，同时主控计算机11对采集得到的数据进行计算和修正，将采集的正向压降V_BE信号转换成结温T_j并记录、显示，然后对下一工位进行同样的操作，如此循环反复。当受试样管41结温T_j值大于标准规定值时，主控计算机11报警并在屏幕上显示该工位异常，结温测控系统2根据结温T_j测量值对应的壳温＞预设温度时，接通制冷风扇43；当受试样管41结温T_j测量值对应的壳温≤预设温度时，关断制冷风扇43。

Claims

1、一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，其特征在于：它是由控制系统、电源系统及试验工作台组成；

该控制系统是由主控计算机系统和结温测控系统组成；该主控计算机系统包括有主控计算机及数据采集卡和I/O控制卡，数据采集卡和I/O控制卡位于主控计算机内部，它们一起构成了主控计算机系统；数据采集卡与各个受试样管的基极和发射极相连，用于实时采集受试样管的正向压降V_BE；I/O控制卡和稳态工作试验台电源相连，用于控制受试样管工作电流I_H的通断状态；主控计算机接收和处理来自数据采集卡的信息、控制受试样管工作电流I_H的通断状态和时间，实现对发射结正向压降V_BE的测量；结温测控系统的功能是控制各个制冷风扇开关状态和时间，实现对受试样管结温的控制；该结温测量及控制系统通过铂电阻监控受试样管的壳温，铂电阻粘贴在受试样管的管壳上，可将测得的温度反馈给结温测量及控制系统，同时结温测量及控制系统与制冷风扇连接，控制制冷风扇的开关状态；

该电源系统是由两组直流稳压电源组成，第一组测量电源提供测量电流I_M，为结温测控系统供电；第二组稳态工作试验台电源为受试样管提供稳态工作电功率；测量受试样管正向压降V_BE的测量电流I_M较小，而试验过程中受试样管稳态工作电流较大，主要由稳态工作试验台电源提供；由于测量电流I_M与工作电流I_H量级不同，为了便于测量电流I_M和工作电流I_H的设定及工作电流I_H的通断控制，稳态工作试验中两组独立电源分别将工作电流I_H和测量电流I_M施加于受试样管，测量电流I_M始终存在；而在测量正向压降V_BE时，主控计算机控制工作电流I_H断开，待完成正向压降V_BE数据采集后，再由主控计算机控制工作电流I_H接通，使受试样管回到稳态工作状态。

2、根据权利要求1所述的一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，其特征在于：该数据采集卡选用1713卡。

3、根据权利要求1所述的一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验设备，其特征在于：该I/O控制卡选用1734卡。