CN102116829B - 一种二极管热阻测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管热阻测量方法及装置，所述测量方法包括：通过温控技术控制被测二极管PN结的温度，得到稳定条件下被测二极管结温和外界参考环境温度(或散热通道参考点温度)之差值，同时测出引起被测二极管结温升高的输入电功率，即可计算出被测二极管的热阻。所述测量装置采用加热/制冷单元和同步快速采样单元，在设定的较高的温度值下，被测二极管结温升高可以忽略时，快速测量被测二极管两端电压幅值。本发明的二极管热阻测量方法和装置，能够实现二极管热阻的精确测量，测量简单快速，操作方便，稳定性好。

Description

一种二极管热阻测量方法及装置

【技术领域】

本发明属于半导体器件测量领域，尤其是指一种二极管热阻测量方法及装置。

【背景技术】

二极管在工作过程中会产生大量的热，致使PN结处温度升高，从而影响二极管的工作性能和使用寿命，因此在二极管的结构设计中，其散热性质是必须考虑的一个重要因素。二极管的热阻即表示二极管散发热量的能力。准确测量二极管热阻对改进二极管的封装和散热设计有着重要参考意义，有助于二极管实现快速地发展和更为广泛地应用。

根据封装二极管内部结构，当器件内部产生热量后，热量通过PN结，散热壳、基板、热沉扩散到外部环境，参考图1。

依据热阻定义计算二极管热阻公式为：

T_J为二极管结温，T_X为散热通道参考点温度，其散热通道参考点温度可以是被测二极管散热壳、基板、热沉或周围的环境某一点温度等，P_j为引起被测二极管结温升高的耗散功率。目前一般的热阻测试方法为：

I、确定温度敏感参数：在保持测试电流I_M相同的情况下，测量两次不同结温下的正向偏置电压，得到温度敏感参数

II、测量结温变化量：在保持参考环境温度不变的条件下，用与步骤I中相同的测试电流I _M导通二极管，测得此时的两端电压V₁，然后切换到加热电流I_H，测得平衡下的加热电压V_H，再迅速切回到测试电流I_M，测得两端电压V₃。根据步骤I中计算的温度敏感参数K和正向电压的变化可以得到结温的变化：ΔT_j＝ΔV_F×K，其中，ΔV_F＝V₁-V₃。

III、二极管耗散功率：引起二极管结温升高的耗散功率P_j＝P_H＝I_H×V_H，对于发光二极管，其发光功率P_L可以通过光度测量单元测量求出，得到引起二极管结温升高的耗散功率P_j＝I_H×V_H-P_L。

IV、计算热阻：

即可得到热阻值。

对于上述测量方法，在计算温度敏感参数中，假设二极管正向偏置电压和结温的变化呈线性关系的，但实际中不同的二极管，由于设备工艺和制造过程的不同，其正向电压和结温在变化过程中都存在很大的不稳定性，其线性假设需要验证；另外，在测试过程中，假设参考环境温度一直保持不变，而在实际测量过程中，由于二极管发热耗散，对其附件的环境温度会有一定影响；此外，在电流切换过程中为防止二极管结温冷却，要求电流切换时间极短，一般在数微秒之间，对测量设备会有较高的要求，而且存在很大的不稳定性，复现性不理想，测试精度不够准确。

【发明内容】

为解决以上方法中的问题，本发明旨在提供一种简单、快速、稳定性较好、精度较高的二极管热阻测量方法及装置。

本发明所述的一种二极管热阻测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：

a)在给定的温度T₁条件下，让被测二极管充分热平衡，直至被测二极管的PN结的温度处于给定的温度T₁，对被测二极管快速施加幅值为Ip的电流，在被测二极管的结温升高可以忽略时快速测量被测二极管两端所产生的电压的幅值，记为V_F1。

b)让被测二极管在电流大小为Ip的直流条件下工作，通过温控装置改变被测二极管所处的环境温度或被测二极管散热通道参考点温度直至在热平衡条件下被测二极管两端电压为V_F1值，并记此时被测二极管所处的环境温度或散热通道参考点温度为T₂。

c)根据T₁，T₂之温度值和引起被测二极管结温升高的输入电功率，计算得出被测二极管的热阻。

上述的二极管热阻测量方法，通过步骤a)得出了在电流Ip下，被测二极管两端电压为V_F1值，对应的PN结温度为T₁；在步骤b)中，通过对两端电压的监控，当被测二极管PN结两端电压再次达到V_F1值时，依据二极管PN结温度和PN结电压的对应关系，得出被测二极管PN结温度为T₁值，测得此时的环境或散热通道参考点温度T₂，就可直接得到稳定条件下的被测二极管PN结和环境(外界环境或被测二极管散热通道某一参考点)的温度差值。本发明的二极管热阻测量方法合理，计算公式符合二极管热阻的定义，通过直接测量二极管PN结和环境的温度差值，不但简化了测量过程，而且测量的结果精确。

在上述步骤a)中，所述的电流可以是快速上升沿而后恒定输出的电流；也可以是具有一定占空比的脉冲电流，如，脉冲长度为0.5～5μs，占空比为1‰。前者能够比较方便地监测被测二极管的正向电压以及光学参数，而后者能够保证在被测二极管不产生自加热(或结温上升可以忽略)。但两种情况都要求在施加电流时、被测二极管的结温升高可以忽略的时间内快速测量被测二极管两端电压。

所述电流Ip的大小根据被测二极管的额定电流大小而定，这样在测量过程中，无需再改变电流的大小，减小了测量过程中电流变换引起的误差，而且对于不同的二极管，可以自行设置相应的电流Ip，能满足不同场合的要求。

上述的一种二极管热阻测量方法，在步骤a)中，在对被测二极管快速施加幅值为Ip的电流过程中，同步快速采集被测二极管两端电压随时间的变化波形，将所述的被测二极管两端电压波形进行有效放大，根据放大后的电压峰值附近波形数据分析确定V_F1值。

准确测量电流Ip所对应的二极管两端电压是测量的难点，测量时间过短则电流还没达到Ip值，测量时间过长，被测二极管会产生自加热引起结温升高，两种情况都会造成测量值偏小。本发明的测量方法，采用同步快速采样的方式测量被测二极管在启动过程中的两端电压值，并通过对电压波形的放大分析，可直接、准确地得到与电流Ip对应的两端电压V_F1值。

上述的一种二极管热阻测量方法，在步骤a)中，在对被测二极管快速施加幅值为Ip的电流过程中，同步快速采集流过被测二极管的电流和被测二极管两端电压随时间的变化波形，根据波形，分析被测二极管在快速施加电流过程中首次达到Ip值时刻所对应的被测二极管两端电压，记此电压为V_F1值。

在快速施加电流Ip的过程中，由于施加的电流可能会存在过冲、振铃等现象，根据采集的电流波形和施加电流产生的电压波形进行对比分析，可以准确得到与电流Ip对应的两端电压V_F1的值。因此，采取上述的放大分析法或对比分析法均可得到被测二极管两端电压V_F1的准确值。

在上述步骤b)中，所述的T₂值可以是被测二极管散热壳、热沉或二极管封装管壳某一参考点的温度。通过测量不同参考点的温度来建立一个被测二极管散热的空间温度场，就得到被测二极管在散热过程中PN结与不同参考点的温度差值，从而可以分析被测二极管的主要热阻构成以及二极管器件的封装散热特性。

上述的一种二极管热阻测量方法，在步骤c)中，所述的引起被测二极管结温升高的输入电功率为直流Ip与被测二极管两端电压V_F1的乘积，即P_j＝I_P×V_F1；对于发光二极管，所述的输入电功率为直流Ip与被测二极管两端电压V_F1的乘积减去发光二极管的发光功率，即P_j＝I_P×V_F1-P_L，其中，P_L为发光二极管的发光功率。

本发明所述的一种二极管热阻测量装置，包括温控装置、测试平台、电流源、电压采集装置和控制单元，所述测试平台放置在温控装置中，被测二极管与测试平台良好接触，并与电流源、电压采集装置电连接；在测量过程中，控制单元控制温控装置将测试平台和被测二极管的温度控制到T₁值，达到热平衡后，控制单元控制电流源给被测二极管快速施加幅值为Ip的电流，同时在被测二极管的结温升高可以忽略时，控制单元控制电压采集装置快速测量被测二极管两端所产生的电压的幅值，记为V_F1；控制单元控制电流源给被测二极管持续施加电流大小为Ip的直流电流，通过温控装置改变测试平台和被测二极管所处的环境温度或被测二极管散热壳温度，直至在热平衡条件下被测二极管两端电压为V_F1值，并记此时被测二极管所处的环境温度或散热壳温度为T₂；控制单元根据T₁，T₂之温度值和引起被测二极管结温升高的输入电功率，计算得出被测二极管的热阻。

上述的一种二极管热阻测量装置，所述的测试平台可以是带有热沉和正负引脚的二极管夹具，用于固定二极管并散发热量，也可以是放置二极管的硅油槽，便于改变和控制二极管PN结温度。所述的温控装置包括加热/制冷单元和温度监视器，在测量过程中，控制单元根据测量的二极管两端电压值控制加热/制冷单元进行加热或制冷；温度监视器即时监测被测二极管所处的环境温度或被测二极管散热通道参考点温度，温度监视器设置有多通道温度探头，可根据需要探测不同参考点的温度，如被测二极管热沉、散热壳、管壳或周围环境参考点温度。

上述的一种二极管热阻测量装置，电压采集装置设有外部触发端口和同步快速采样单元，所述外部触发端口接收控制单元发送的同步触发信号来启动测量，同步快速采样单元快速采集被测二极管两端电压数据并反馈至控制单元，控制单元完成电压数据的分析处理，由显示系统实时显示采集的电压波形图，所述显示系统可以是计算机显示屏也可以是示波器。

上述的一种二极管热阻测量装置，当被测二极管为发光二极管时，测量装置还包括光度测量单元，所述光度测量单元包括积分球和测光仪，积分球壁面的采光窗口收集发光二极管的光学信号，积分球侧面的探测窗口与测光仪相连接，光度测量单元中的测光仪与控制单元电连接，测光仪将采集到的光信号反馈控制单元，控制单元完成数据的分析处理并由显示系统显示发光二极管发光功率。

使用上述的二极管热阻测量装置，还可以实现被测二极管结温的精确测量，其技术方案为：

1)调节温控装置的温度，设置在已知的较高的温度下，让被测二极管充分热平衡，直至被测二极管的PN结温度处于给定的温度，控制单元控制电流源对被测二极管快速施加幅值为Ip的电流，(Ip为被测二极管额定功率)同时电压采集装置在被测二极管的结温升高可以忽略时快速测量被测二极管两端所产生的电压值。

2)调节温控装置的温度，依次改变设定的温度(其改变的幅度应相差较小)，然后重复步骤1)，得出不同的温度下对应的电压值。以设定的不同的温度为横坐标，以对应的电压为纵坐标，绘制温度电压曲线，可得到准确且详细的温度和电压的对应曲线关系。只要是同一类型的二极管，具有相同的额定电流，对应曲线关系就可以使用。

本发明的二极管热阻的测量方法及装置，从热阻定义出发，利用二极管结温和两端电压的对应关系，直接、准确得到被测二极管结温和环境温度(或被测二级管散热通道参考点温度)。本发明的测量方法无需计算温度敏感参数，消除了不同二极管的结温和正向电压非线性带来的误差，并且在测量中间无需测试电流和加热电流的切换，既简化了测量的程序和设备，也提高了测量的精度。本发明的二极管热阻的测量方法及装置，其测量简单快速，操作方便，稳定性更好，精度更高。

【附图说明】

图1为封装二极管内部组成结构及热传递示意图

图2为本发明的实施例1的测量装置图

图3为电流、电压波形对比分析图

图4为本发明的实施例2的测量装置图

【具体实施方式】

实施例1

下面通过附图3和实施例，对本发明作进一步的描述。

如图3所示，一种二极管热阻测量装置，包括温控装置1、测试平台2、电流源3、电压采集装置4、控制单元5，测试平台2放置在温控装置1中，被测二极管6与测试平台2良好接触，并与电流源3、电压采集装置4电连接，温控装置1、电流源3、电压采集装置4均与控制单元5电连接。

本实施例所述的被测二极管为普通二极管(不发光)，采用本发明的测量方法和装置对被测二极管进行测量，其测量步骤如下：

a)控制单元5控制温控装置1将测试平台2和被测二极管6的温度控制到给定的温度T₁值，达到热平衡后，控制单元5控制电流源3给被测二极管6快速施加幅值为Ip的电流，Ip设为被测二极管6的额定功率，同时在被测二极管6的结温升高可以忽略时，控制单元5控制电压采集装置4快速测量被测二极管6两端所产生的电压值，记为V_F1。

电压采集装置4将采集到的流过被测二极管6的电流以及被测二极管6两端电压数据反馈至控制单元5，控制单元5同步完成电流、电压数据的分析计算并形成电流、电压波形图，根据电流和电压波形图的对比分析确定V_F1值。参考图4。

b)控制单元5控制电流源3给被测二极管6持续施加电流大小为Ip的直流电流，通过温控装置1改变测试平台2和被测二极管6所处的环境温度或被测二极管6散热通道参考点温度，直至在热平衡条件下被测二极管6两端电压为V_F1值，并记此时被测二极管6所处的环境温度或散热通道参考点温度为T₂。

所述散热通道参考点温度T₂值可以是被测二极管6散热壳、热沉或二极管封装管壳某一参考点的温度。

c)在环境温度为T₂时，被测二极管6在电流大小为Ip的直流条件下工作的结温为T₁，控制单元5根据T₁，T₂之差值和引起被测二极管6结温升高的输入电功率，计算得出被测二极管6的热阻，由显示系统显示测量的热阻值。其中，引起被测二极管6结温升高的输入电功率为直流Ip与被测二极管6两端电压V_F1的乘积，即P_j＝I_P×V_F1。

实施例2

如图5所示，本实施例所述的被测二极管6为发光二极管。本实施例的发光二极管热阻测量方法和装置与实施例1相似，但由于发光二极管存在发光功率，计算引起二极管结温升高的电功率与实施例1有所区别。在二极管热阻测量装置中除包括实例1中所述装置外，还包括光度测量单元9，光度测量单元9与控制单元5电连接，用于测量发光二极管发光功率。

采用本发明的测量方法和装置对被测二极管进行测量，其测量步骤如下：

a)控制单元5控制温控装置1将测试平台2和被测二极管6的温度控制到T₁值，达到热平衡后，控制单元5控制电流源3给被测二极管6快速施加幅值为Ip的电流，Ip设为被测二极管6的额定功率，同时在被测二极管6的结温升高可以忽略时，控制单元5控制电压采集装置4快速采集被测二极管6两端所产生的电压的幅值，记为V_F1。

电压采集装置4将采集到的流过被测二极管6的电流以及被测二极管6两端电压数据反馈至控制单元5，控制单元5同步完成电流、电压数据的分析计算并形成电流、电压波形图，根据电流和电压波形图的对比分析确定V_F1值。

b)控制单元5控制电流源3给被测二极管6持续施加电流大小为Ip的直流电流，通过温控装置1改变测试平台2和被测二极管6所处的环境温度或被测二极管6散热通道参考点温度，直至在热平衡条件下被测二极管6两端电压为V_F1值，并记此时被测二极管6所处的环境温度或散热通道参考点温度为T₂。

所述散热通道参考点温度T₂值可以是被测二极管6散热壳、热沉或二极管封装管壳某一参考点的温度。

c)在环境温度为T₂时，被测二极管6在电流大小为Ip的直流条件下工作的结温为T₁，控制单元5根据T₁，T₂之差值和引起被测二极管6结温升高的输入电功率，计算得出被测二极管的热阻。其中，引起被测二极管6结温升高的输入电功率为直流Ip与被测二极管6两端电压V_F1的乘积减去发光二极管的发光功率，即P_j＝I_P×V_F1-P_L，其中，P_L为发光二极管的发光功率。

发光二极管的发光功率计算方法为：在步骤b)中，待发光二极管工作稳定后，光度测量单元9中的积分球10采集发光二极管发出的光学信号，光度测量单元9中的测光仪11将探测到的光信号反馈控制单元5，控制单元5完成数据的分析处理，由显示系统显示发光二极管发光功率。

上述实施例所述的一种二极管热阻测量方法及装置，通过控温技术和同步采样方式直接、准确地测量被测二极管热阻，并可以分析被测二极管热阻构成以及二极管封装散热特性，其测量过程简单，操作方便，稳定性更好，精度更高。

最后需要声明的是：除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，本领域的技术人员可以对本发明进行修改或等同替换，但修改后或等同替换技术均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种二极管热阻测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：

a)在给定的温度T₁条件下，让被测二极管充分热平衡，直至被测二极管的PN结温度处于给定的温度T₁，对被测二极管快速施加幅值为Ip的电流，同时在被测二极管的结温升高可以忽略时，快速测量被测二极管两端所产生的电压的幅值，记为V_F1；

b)让被测二极管在电流大小为Ip的直流条件下工作，通过温控装置改变被测二极管所处的环境温度或被测二极管的散热通道参考点温度，直至在热平衡条件下被测二极管两端电压为V_F1，并记此时被测二极管所处的环境温度或散热通道参考点温度为T₂；

c)根据T₁，T₂之温度值和引起被测二极管结温升高的输入电功率，计算得出被测二极管的热阻。

2.如权利要求1所述的一种二极管热阻测量方法，其特征在于，在所述的步骤a)中，在对被测二极管快速施加幅值为Ip的电流过程中，同步快速采集被测二极管两端电压随时间的变化波形，根据波形中的电压峰值确定V_F1值。

3.如权利要求1所述的一种二极管热阻测量方法，其特征在于，在所述的步骤a)中，在对被测二极管快速施加幅值为Ip的电流过程中，同步快速采集流过被测二极管的电流和被测二极管两端电压随时间的变化波形，根据波形，分析被测二极管在快速施加电流过程中首次达到Ip值的时刻所对应的被测二极管两端电压，记此电压为V_F1。

4.如权利要求1所述的一种二极管热阻测量方法，其特征在于，所述的被测二极管是发光二极管，在所述的步骤c)中，所述的引起被测二极管结温升高的输入电功率为施加的电流Ip与被测二极管两端电压的乘积减去发光二极管的发光功率。

5.一种二极管热阻测量装置，包括温控装置(1)、测试平台(2)、电流源(3)、电压采集装置(4)、控制单元(5)，其特征在于，所述测试平台(2)放置在温控装置(1)中，被测二极管(6)与测试平台(2)良好接触，并与电流源(3)、电压采集装置(4)电连接；在测量过程中，控制单元(5)控制温控装置(1)将测试平台(2)和被测二极管(6)的温度控制到给定温度T₁值，达到热平衡后，控制单元(5)控制电流源(3)给被测二极管(6)快速施加幅值为Ip的电流，同时控制单元(5)控制电压采集装置(4)快速测量被测二极管(6)两端的电压，记为V_F1；控制单元(5)控制电流源(3)给被测二极管(6)持续施加电流大小为Ip的直流电流，通过温控装置(1)改变被测二极管(6)所处的环境温度或被测二极管(6)散热通道参考点温度，直至在热平衡条件下被测二极管(6)两端电压为V_F1值，并记此时被测二极管(6)所处的环境温度或散热通道参考点温度为T₂；控制单元(5)根据T₁，T₂之温度值和引起被测二极管(6)结温升高的输入电功率，计算得出被测二极管(6)的热阻。

6.如权利要求5所述的一种二极管热阻测量装置，其特征在于，所述温控装置(1)包括加热/制冷单元(7)和温度监视器(8)，在测量过程中，控制单元(5)根据被测二极管(6)两端电压值控制加热/制冷单元(7)进行加热或制冷；温度监视器(8)即时监测被测二极管(6)所处的环境温度或被测二极管(6)散热通道参考点温度。

7.如权利要求5所述的一种二极管热阻测量装置，其特征在于，所述电压采集装置(5)设有外部触发端口和同步快速采样单元，所述外部触发端口接收外部触发信号启动测量，同步快速采样单元快速采集被测二极管(6)两端电压数据并反馈至控制单元(5)，控制单元(5)完成电压数据的分析处理。

8.如权利要求5所述的一种二极管热阻测量装置，其特征在于，还包括光度测量单元(9)，光度测量单元(9)与控制单元(5)电连接，所述的被测二极管(6)是发光二极管，所述光度测量单元(9)收集被测二极管(6)的发光功率。

9.如权利要求8所述的一种二极管热阻测量装置，其特征在于，所述光度测量单元(9)包括积分球(10)和测光仪(11)，位于积分球(10)壁面的采光窗口收集被测二极管(6)的光学信号，积分球(10)侧面的探测窗口与测光仪(11)相连接。

Images