CN102759544A

CN102759544A - 一种大功率碳化硅二极管热阻测试方法

Info

Publication number: CN102759544A
Application number: CN2012102343948A
Authority: CN
Inventors: 刘斯扬; 张春伟; 卫能; 钱钦松; 孙伟锋; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: CN102759544B

Abstract

一种大功率碳化硅二极管热阻测试方法，将放置有待测器件的绝缘基板放置在温度控制箱内，并将温箱调至25℃，为二极管加一极短暂的单脉冲电流，测试不同脉冲电流大小对应的二极管压降。然后将温箱温度升至125℃，测量不同脉冲电流大小对应的二极管压降，并与25℃下所测数值进行比较，在保证压降有明显变化的前提下取一最大电流。将温箱温度降至25℃，为二极管加直流电流，大小为前面所选取的电流，待结温稳定后测量二极管压降。改变温箱温度，然后以脉冲电流测试此时二极管的压降，直至某一温度下二极管的压降与灌直流时二极管上压降相等，我们就认为此时温箱的温度即为等效结温。根据等效结温利用热阻计算公式求出二极管的热阻。

Description

一种大功率碳化硅二极管热阻测试方法

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，尤其涉及大功率碳化硅二极管的结温和热阻测量方法，大功率指正常工作功率可以在2W以上的二极管。

背景技术

碳化硅是一种新型的复合材料，由于其禁带宽度较大，耐高温，底迁移率，高导电性，以及好的导热性能等优势得到了广泛的应用，也进一步促进了高压大功率二极管的发展。虽然碳化硅材料具有很好的导热性能，但为了二极管的使用方便需要对其进行封装，炎芯片提供电学连接、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。封装影响了二极管的散热性能，尤其对于高压大功率二极管，它们要经验工作于高压大电流环境下，高的功耗对其散热性能也提出了高的要求，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。这就对器件封装的设计和质量提出了一定的要求，封装的形式是多种多样的，不同的器件也有不同的要求。

现阶段常用的表征封装后器件散热能力的方法就是对产品热阻的测量。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系统。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未封装或开封的状态，因此对实际器件或芯片成品的考核不能满足要求。尤其是针对大功率二极管的热阻测量这一区域的技术更是缺乏。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的提供了一种简单易行且测试准确性高的大功率碳化硅二极管热阻测试方法，采用本发明后，只需使用常备测试设备及仪器，就能实现对大功率碳化硅二极管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：

一种大功率碳化硅二极管结温和热阻测量方法：

步骤1、将放置有待测二极管的绝缘基板放置在温度控制箱内，并将温度控制箱调至25℃，依据待测二极管安全工作区的范围，保证待测器件能够正常工作的前提下，给待测二极管两端施加脉冲宽度为200μs的单电流脉冲，脉冲电流依次取值为0.5A、0.8A、1.0A、1.2A、1.4A、1.6A、1.8A、及2.0A，并分别记录下不同脉冲电流下二极管上的压降，

步骤2、将温箱温度升至125℃，依据待测二极管安全工作区的范围，保证待测器件能够正常工作的前提下，给待测二极管两端施加脉冲宽度为200μs的单电流脉冲，脉冲电流依次取值为0.5A、0.8A、1.0A、1.2A、1.4A、1.6A、1.8A、及2.0A，并分别记录下不同脉冲电流下二极管上的压降，

步骤3、根据前两步所得结果，分别作出同一脉冲电流的125℃时的压降与25℃时的压降的差值，剔除压降差值小于80mV所对应的脉冲电流，再在剩余的脉冲电流中寻找出最大的脉冲电流并将最大的脉冲电流作为测试电流I_ds，

步骤4、将温箱温度设为25℃，然后给二极管灌一大小与步骤3中选定的测试电流I_ds大小相同的直流电流，待压降稳定后测出此时二极管上的压降V_ds，

步骤5、升高温箱温度，待二极管内温度与温箱温度相等后给二极管通以200μs脉冲电流，所述脉冲电流的幅值与步骤3中所选定的测试电流相同，测出此时二极管的压降，逐渐升高温箱温度，并监测二极管的压降，当测得二极管压降与步骤4中所测得的压降相等时，此时温箱的温度即为步骤4测得的二极管压降V_ds所对应的稳定结温T_J，

步骤6、根据热阻计算公式，求出所测二极管的热阻值，公式如下：

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5中所测得的等效结温，T_A为所设定的环境温度25℃，P_H为二极管的输入功率，V_ds为步骤4中二极管稳定后的压降，I_ds为步骤4中二极管所加的电流值，R_θJA为二极管的结到环境热阻值，将所测数据带入上式即可求出待测二极管的结到环境热阻值。

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系统成本低。与业内采用的热阻测试仪器相比，本发明的测试系统所包含的设备及仪器都是常用仪器不需要特别配置。

2、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。

3、目前常用的二极管热阻测试设备由于其对快速开关的高精度要求，设备昂贵，价值高达几百万。相比之下，本发明的热阻测试方法操作简单，适用范围广，没有复杂的操作步骤，所需仪器均为常用的数字测试设备，无需专门配备特殊设备，简单易行。

4、如果采用为器件灌一恒定电压的技术措施，以电流大小来等效器件结温的方法，该方法对CMOS器件应用很好，但并不适用于二极管，因为，根据二极管的I-V特性曲线指数增长的特点，实测中所灌恒定电压的微小偏差会引起二极管电流的极大改变，故用电流大小等效出的二极管结温偏差太大，无法实际应用。而本发明中提出的，灌一恒定电流，以二极管上压降来等效结温的办法，由于二极管的I-V特性曲线指数增长的特点，实测中恒定电流微小偏差引起的压降偏差可以忽略，二极管上压降的变化完全是由于结温变化引起的，故等效出的结温非常准确。使得二极管热阻的实际测试准确可行。

附图说明

图1为本发明的测试流程图。

图2为不同温度下二极管的I-V特性曲线仿真结果。

图3为灌不同电流时二极管在25℃与125℃条件下压降的测试结果。

图4为二极管等效结温的测试曲线及结果。

具体实施方式

一种大功率碳化硅二极管热阻测试方法：

步骤4、将温箱温度设为25℃，然后给二极管灌一大小与步骤3中选定的测试电流I_ds大小相同的直流电流，15min后记录二极管压降，20min后再次记录二极管压降，如果两压降变化不超过1%则可认为二极管压降稳定，测出此时二极管上的压降V_ds，

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：

对于热阻测试来说，根据其计算公式：

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

其中，P_H为二极管的输入功率，T_J为该功率下二级管稳定后的结温，T_A为所设定的环境温度。这样测出的R_θJA即为结到环境的热阻。P_H为二极管稳定时的输入功率，可通过测量稳态时二极管的压降V_ds和电流I_ds来测量，而T_A为所设定的环境温度为已知量，所以热阻测试的难点就在于准确的测出稳态时的结温，这就要求在不破坏封装，不影响二极管工作状态的情况下测得二极管稳定工作时的结温。鉴于此，我们利用二极管本身的温度特性，来间接测量二极管稳定工作时的结温，从而求出结到环境的热阻。

当我们为二极管加一稳定电流后，由于二极管本身的功耗产热，会使二极管内部温度升高，随着时间的增长，当二极管的产热和散热达到平衡时二极管内部结温达到稳定，测量此时二极管的压降，再根据所加电流值大小便可得出此时二极管的输入功率。然后撤去二极管的直流电流，升高温箱温度，当二极管的温度与温箱内部温度相同后，为二极管加一极短暂的脉冲电流，电流大小与前面所加直流电流大小相同，脉冲时间很小，我们这段时间内二极管的产热可以忽略，认为二极管的温度就是温箱的温度，测出此时二极管上的压降。由于我们所加电流较大，利用二极管电流随电压指数上升的特性，所测电压的误差会很小，电压的变化完全是由于结温变化引起的。当温箱某一温度下，利用脉冲电流所测得的压降与直流稳态下压降相同时，根据二极管的温度特性，我们可以认为这两种情况下二极管的结温相同，等于温箱的温度。根据前面提到的公式与分析，当我们测出二极管稳态结温后，通过计算就可得出二极管的热阻。

下面结合附图来说明我们对一600V大功率碳化硅二极管热阻测试过程与结果：

测试设备：源表2430、温度控制箱、示波器、大功率碳化硅二极管、基板和导线等，均为实验室常用测试设备，成本低方法简单易行。

步骤1、将放置有待测二极管的绝缘基板放置在温度控制箱内，并将温度控制箱调至25℃，依据待测二极管安全工作区的范围，保证待测器件能够正常工作的前提下，给待测二极管两端施加脉冲宽度为200μs的单电流脉冲，脉冲电流依次取值为0.5A、0.8A、1.0A、1.2A、1.4A、1.6A、1.8A、及2.0A，并分别记录下不同脉冲电流下二极管上的压降，由于脉冲极短，我们认为二极管的自热可以忽略，二极管的结温就是温箱内温度。

步骤3、电流大小的选择：做出不同温度下二极管压降的变化与电流的关系，其关系如图3所示，其关系与Medici软件模拟得出的不同温度下二极管I-V曲线（如图1）完全相符，大电流时，由于二极管体电阻的影响，随着电流的增大二极管上的压降随温度上升而降低的量不断减小。电流为1.6A时二极管上压降差为83.1mV，而电流为1.8A时二极管上压降差为76.4mV，故最终我们选定1.6A为测试电流。

步骤4、将温箱的温度设为25℃，然后为二极管灌一1.6A的直流电流。20min后二极管上的压降已达到稳定，压降为927mV。

步骤5、不断升高温箱的温度，待结温稳定后，为二极管灌一1.6A的电流脉冲，宽度为200μs，测出此时二极管上的压降，并记录下这时的温箱温度，不断改变温箱温度直至某一温度下电二极管上压降为927mV，此时我们认为温箱的温度即为二极管的等效结温。

步骤6、做出二极管压降随温箱温度变化曲线，如图4所示，最终确定二极管的行将结温为115℃。利用热阻计算公式：

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

其中T_J=115℃，T_A=25℃，V_ds=0.927V，I_ds=1.6A最终计算得出R_θJA=60.68℃/W，与封装厂家提供的标准值62℃/W相差很小，在测量误差范围内。

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

1.一种大功率碳化硅二极管热阻测试方法，其特征在于，

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