CN103344662B

CN103344662B - 半导体器件瞬态热测试装置

Info

Publication number: CN103344662B
Application number: CN201310284378.4A
Authority: CN
Inventors: 张建华; 阙秀福; 张俊; 黄元昊; 杨连乔
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103344662A

Abstract

本发明公开了一种半导体器件瞬态热测试装置。它包括主控电路板、恒流源大小电流及开关切换模块、加热驱动模块、加热模块、高速数据采集卡、上位机PC和开关电源模块。主控电路板通过信号控制待测器件上的电流，使待测器件达到测试的要求，同时通过反馈的温度进行检测，实时调整加热驱动模块的输出电流，维持加热模块温度的恒定。高速数据采集卡采集待测器件的测试值并传送至上位机PC，主控电路板与上位机PC通过串口连接，由上位机PC完成数据后处理并显示结果。本发明在测试的精度、稳定性及快速性方面具有明显的优势。通过本发明装置可以对半导体器件进行结温、热阻及热结构函数的测试。

Description

半导体器件瞬态热测试装置

技术领域

本发明属于半导体器件瞬态热测试技术领域，具体涉及了一种半导体器件瞬态热测试装置。该发明主要应用于对半导体器件进行热阻和结温的测试。

背景技术

大功率LED工作时会产生大量的热量，引起LED芯片PN结结温的显著变化，对LED的性能产生重要的影响，造成正向压降改变、色温变化、波长红移、光电转换效率变低等，影响其光度、色度和电气参数。LED的热阻是决定LED光电特性及寿命的重要参数，热阻过大会直接导致LED结温偏高，加速芯片老化。结温、热阻的大小成为衡量LED热学特性的最重要指标。因此，快速、准确地测试LED的结温和热阻成为有效热管理的重要前提。

目前LED热学测试的主要方法有红外热成像法、电学参数法、瞬态热测试法、光谱及光功率法、管脚温度法等。这些方法基于不同的原理测量或推导出LED的结温及热阻。其中，瞬态热测试法由于其测试精度高、可测热结构函数等优点，具有重要的研究价值和良好的应用前景。

通过设计嵌入式控制系统，为待测器件提供恒流源，并可切换大小电流，同时为待测器件提供恒温环境，并可使测试值在上位机PC中通过处理后显示结果。本发明具有精度高、稳定性好及快速性好的特点。通过本发明装置可以对半导体器件进行瞬态热测试。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的缺陷提供一种半导体器件瞬态热测试装置，测试半导体器件的热学特性，其特点是精度高、稳定性好及快速性好。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种半导体器件瞬态热测试装置，包括主控电路板、恒流源大小电流及开关切换模块、加热驱动模块、加热模块、高速数据采集卡、上位机PC和开关电源模块。开关电源模块为主控电路板、恒流源大小电流及开关切换模块和加热驱动模块供电；其特征在于，恒流源大小电流及开关切换模块与待测器件和主控电路板连接，为待测器件提供大小电流值；加热模块与加热驱动模块连接，加热驱动模块与主控电路板连接，待测器件固定安装在加热模块上，加热模块直接对待测器件进行加热，并通过加热模块的传感器将温度信号反馈给主控电路板，实时调整加热模块的输出电流，维持加热模块温度的恒定，实现通过控制为待测器件提供恒定的测试温度；高速数据采集卡连接待测器件和上位机PC，采集待测器件的测试值并传送至上位机PC；主控电路板与上位机PC通过串口连接，由上位机PC完成数据后处理并显示结果。

作为本发明优选的技术方案，主控电路板包括一个核心控制模块、一个状态显示模块，核心控制模块与状态显示模块连接，状态显示模块用于反映系统的工作模式。核心控制模块有定时器TIMx端口、串口、AD转换端口和普通端口；定时器TIMx端口利用定时器产生3路脉宽调制波（PWM），其中2路脉宽调制波（PWM）分别控制恒流源大电流、恒流源小电流，使其电流恒定，另1路脉宽调制波（PWM）转化为恒流后控制加热模块的温度；核心控制模块的普通端口给出控制信号控制恒流大小电流及开关切换模块中一个开关切换模块中的开关，从而控制待测器件上大、小恒流的切换；AD转换端口将加热模块反馈的温度信号转换为数字信号，传输至核心控制模块进行后续处理，将该时刻的温度信号和上一时刻的温度信号进行对比，得出差值后运用PID算法求得该时刻的输出信号，并以脉宽调制信号的形式传输至加热驱动模块；普通端口还用于控制状态显示模块，从而反映系统的工作模式；串口用于与上位机PC进行通讯，将主控电路板中的大小电流值，温度值传送至上位机PC进行后处理。

作为本发明上述技术方案的优化技术方案恒流源大小电流及开关切换模块基于运算放大电路搭建，其中包括输入整形模块、电压跟随模块、低通滤波模块、恒流驱动模块和开关切换模块串联形成恒流驱动及开关切换电路。输入整形模块由电阻和电容组成RC低通滤波器，用于将输入脉宽调制信号（PWM）转化为锯齿信号；电压跟随模块由电阻和集成运放组成电压跟随器起缓冲作用，使信号耗散在前级的比重降低；二阶滤波模块由电阻、电容和集成运放组成二阶低通滤波器为信号滤去毛刺部分；恒流驱动模块由集成运放和外围电路组成线性控制电路，将锯齿信号和参考电压进行对比后输出对应的控制信号，并将此控制信号加在场效应管的门级，从而实现对输出电流的调整并给出恒流信号；开关切换模块由电阻、三极管和场效应管MOSFET构成，为主控电路板给出控制信号到场效应管MOSFET的栅极，从而控制恒流源信号的通断。

作为本发明上述技术方案的优化技术方案，加热驱动模块实质为用恒流驱动，包括输入整形模块、电压跟随模块、二阶滤波模块、恒流驱动模块。输入整形模块电阻和电容组成RC低通滤波器，用于将输入脉宽调制信号（PWM）转化为锯齿信号；电压跟随模块由电阻和集成运放组成电压跟随器起缓冲作用，使信号耗散在前级的比重降低；二阶滤波模块由电阻、电容和集成运放组成二阶低通滤波器为信号滤去毛刺部分；恒流驱动模块由集成运放和外围电路组成线性控制电路，将锯齿信号和参考电压进行对比后输出对应的控制信号，并将此控制信号加在场效应管的门级，从而实现对输出电流的调整，最终控制加热模块的发热体直接对待测器件进行加热。

在本发明上述技术方案中，可信控制模块采用ST公司的STM32F103RBT6。

在本发明上述技术方案中，加热模块采用HB公司的半导体加热制冷片TEC1-12706。

在本发明上述技术方案中，温度传感器采用DALLAS公司的DS18B20。

在本发明上述技术方案中，高速数据采集卡采用NI公司的NI9223。

在本发明上述技术方案中，恒流源小电流为5mA，恒流源大电流为500mA。

在本发明上述技术方案中，开关电源采用宏胜光电的12V、8.5A开关电源为驱动主控电路板、恒流源大小电流及开关切换模块和加热驱动模块供电，并通过电平转换输出3.3V电平为核心控制模块供电。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：

本发明为待测器件提供高精度恒流源及恒温环境，可以在不破坏半导体器件的前提下，快速地测试半导体器件的瞬态热学特性。

附图说明

图1为本发明实施例一半导体器件瞬态热测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的主控电路板的电路模块结构示意图；

图3为发明实施例二的恒流驱动及开关切换模块的电路模块结构示意图；

图4为发明实施例二的恒流驱动及开关切换模块的电路连接图；

图5为本发明实施例三的加热驱动模块的电路模块结构示意图。

图6为本发明实施例三的加热驱动模块的电路连接图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，如图1所示，一种半导体器件瞬态热测试装置，包括主控电路板（100）、恒流源大小电流及开关切换模块（200）、加热驱动模块（400）、加热模块（300）、高速数据采集卡（500）、上位机PC（600）和开关电源模块（700）。其特征在于：开关电源模块（700）为驱动主控电路板（100）、恒流源大小电流及开关切换模块（200）和加热驱动模块（400）供电；恒流源大小电流及开关切换模块（200）与待测器件（001）和主控电路板（100）连接，为待测器件（001）提供大小电流值；加热模块（300）与加热驱动模块（400）连接，加热驱动模块（400）与主控电路板（100）连接，待测器件（001）固定安装在加热模块（300）上，加热模块（300）直接对待测器件（001）进行加热，并通过加热模块（300）的传感器将温度信号反馈给主控电路板（100），对待测器件（001）的温度进行检测，通过实时调整加热模块（300）的输出电流，维持加热模块（300）温度的恒定，实现通过控制为待测器件（001）提供恒定的测试温度；高速数据采集卡（500）连接待测器件（001）和上位机PC（600），采集待测器件（001）的测试值并传送至上位机PC（600）；主控电路板（100）与上位机PC（600）通过串口连接，由上位机PC（600）完成数据后处理并显示结果。本实施例半导体器件瞬态热测试装置为待测器件（001）提供高精度恒流源及恒温环境，可以在不破坏半导体器件的前提下，快速地测试半导体器件的瞬态热学特性，即半导体器件的结温、热阻及热结构函数。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图1和图2，上述主控电路板（100）包括一个核心控制模块（110）及一个状态显示模块（120）；核心控制模块（110）采用ST公司的STM32F103RBT6与状态显示模块（120）连接，状态显示模块（120）用于反映系统的工作模式。核心控制模块（110）有定时器TIMx端口（112）、串口（114）、AD转换端口（116）和普通端口（118）；定时器TIMx端口（112）利用定时器产生3路脉宽调制波（PWM），其中2路脉宽调制波（PWM）分别控制恒流源大电流、恒流源小电流，使其电流恒定，另1路脉宽调制波（PWM）转化为恒流后控制加热模块的温度；核心控制模块（110）的普通端口（118）给出控制信号控制恒流源大小电流及开关切换模块（200）中一个开关切换模块（250）中的开关，从而控制待测器件（001）上大、小恒流的切换；AD转换端口（118）将加热模块（300）反馈的温度信号转换为数字信号，传输至核心控制模块（110）进行后续处理，将该时刻的温度信号和上一时刻的温度信号进行对比，得出差值后运用PID算法求得该时刻的输出信号，并以脉宽调制信号的形式传输至加热驱动模块（400）；普通端口（118）还用于控制状态显示模块（120），从而反映系统的工作模式；串口（114）用于与上位机PC（600）进行通讯，将主控电路板（100）中的大小电流值，温度值传送至上位机PC（600）进行后处理。本实施例半导体器件瞬态热测试装置采用通过设计嵌入式控制系统，简化模块控制电路结构，集成度高。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图3和图4，恒流源大小电流及开关切换模块（200）基于运算放大电路搭建，由输入整形模块（210）、电压跟随模块（220）、低通滤波模块（230）、恒流驱动模块（240）和开关切换模块（250）依次串联构成。输入整形模块（210）由电阻R1（211）和电容C1（212）组成RC低通滤波器，用于将输入脉宽调制信号（PWM）转化为锯齿信号；电压跟随模块（220）由电阻R2（221）和集成运放1（222）组成电压跟随器起缓冲作用，使信号耗散在前级的比重降低；二阶滤波模块（230）由电阻R3（231）、R4（234）、电容C2（232）、C3（233）和集成运放2（235）组成二阶低通滤波器为信号滤去毛刺部分；恒流驱动模块（240）由集成运放3（244）和外围电路组成线性控制电路，将锯齿信号和参考电压进行对比后输出对应的控制信号，并将此控制信号加在场效应管的门级，从而实现对输出电流的调整并给出恒流信号；开关切换模块（250）由电阻R10（251）、电阻R11（253）、电阻R12（255）、三极管Q1（252）、场效应管MOSFET（254）构成，为主控电路板（100）给出控制信号到场效应管MOSFET（251）的栅极，从而控制恒流源信号的通断。本实施例半导体器件瞬态热测试装置为待测器件（001）提供高精度恒流源。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图5和图6，加热驱动模块（400）实质为用恒流驱动，由输入整形模块（410）、电压跟随模块（420）、二阶滤波模块（430）、恒流驱动模块（440）依次串联构成。输入整形模块（410）电阻R1'（411）和电容C1'（412）组成RC低通滤波器，用于将输入脉宽调制信号（PWM）转化为锯齿信号；电压跟随模块（420）由电阻R2'（421）和集成运放4（422）组成电压跟随器起缓冲作用，使信号耗散在前级的比重降低；二阶滤波模块（430）由电阻R3'（431）、R4'（434）、电容C2'（432）、C3'（433）和集成运放5（435）组成二阶低通滤波器为信号滤去毛刺部分；恒流驱动模块（440）集成运放6（444）和外围电路组成线性控制电路，将锯齿信号和参考电压进行对比后输出对应的控制信号，并将此控制信号加在场效应管的门级，从而实现对输出电流的调整，最终控制加热模块（300）的发热体直接对待测器件（001）进行加热。本实施例半导体器件瞬态热测试装置可以实现对温度场的精确控制，有效维持加热模块温度的恒定，保证恒温测试环境。

实施例五：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，加热模块（300）采用半导体加热制冷片，可采用半导体加热制冷片TEC1-12706，制冷效率高，易于实现数字信号控制。温度传感器采用DALLAS公司的数字型温度传感器DS18B20。

实施例六：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，开关电源模块（700）采用宏胜光电的12V、8.5A开关电源为驱动主控电路板、恒流源大小电流及开关切换模块和加热驱动模块供电，并通过AMS1117-3.3V芯片的电平转换输出3.3V电平为核心控制模块（110）供电，电源工作稳定，满足试验测试需要。

实施例七：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，核心控制模块（110）采用ARM微处理器芯片STM32F103RBT6来实现，该芯片逻辑单元灵活，集成度高，使用范围宽，可实现较大规模的电路，内置128KB的Flash、20KB的RAM、12位AD、4个16位定时器和3路USART3路通讯口等多种资源，时钟频率最高可达72MHZ，编程灵活。

实施例八：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中高速数据采集模块（500）采用采用NI公司的NI9223。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明半导体器件瞬态热测试装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种半导体器件瞬态热测试装置，包括主控电路板（100）、恒流源大小电流及开关切换模块（200）、加热驱动模块（400）、加热模块（300）、高速数据采集卡（500）、上位机PC（600）、开关电源模块（700），其特征在于：所述开关电源模块（700）为所述主控电路板（100）、恒流源大小电流及开关切换模块（200）和加热驱动模块（400）供电；所述恒流源大小电流及开关切换模块（200）与待测器件（001）和所述主控电路板（100）连接，为所述待测器件（001）提供大小电流值；所述加热模块（300）与所述加热驱动模块（400）连接，所述加热驱动模块（400）与所述主控电路板（100）连接，所述待测器件（001）固定安装在所述加热模块（300）上，所述加热模块（300）直接对所述待测器件（001）进行加热，并通过所述加热模块（300）的传感器（301）将温度信号反馈给所述主控电路板（100），实时调整所述加热模块（300）的输出电流，维持所述加热模块（300）温度的恒定，实现通过控制为所述待测器件（001）提供恒定的测试温度；所述高速数据采集卡（500）连接所述待测器件（001）和所述上位机PC（600），采集所述待测器件（001）的测试值并传送至所述上位机PC（600）；所述主控电路板（100）与所述上位机PC（600）通过串口连接，由所述上位机PC（600）完成数据后处理并显示结果。

2.根据权利要求1所述的半导体器件瞬态热测试装置，其特征在于：所述主控电路板（100）包括一个核心控制模块（110）、一个状态显示模块（120），所述核心控制模块（110）与所述状态显示模块（120）连接，所述状态显示模块（120）用于反映系统的工作模式；所述核心控制模块（110）有定时器TIMx端口（112）、串口（114）、AD转换端口（118）和普通端口（116）；所述定时器TIMx端口（112）利用定时器产生3路脉宽调制波（PWM），其中2路脉宽调制波（PWM）分别控制恒流源大电流、恒流源小电流，使其电流恒定，另1路脉宽调制波（PWM）转化为恒流后控制加热模块（300）的温度；所述核心控制模块（110）的普通端口（116）给出控制信号控制所述恒流源大小电流及开关切换模块（200）中一个开关切换模块（250）中的开关，从而控制所述待测器件（001）上大、小恒流的切换；所述AD转换端口（118）将所述加热模块（300）反馈的温度信号转换为数字信号，传输至所述核心控制模块（110）进行后续处理，将每一次所述AD转换端口（118）转换的温度信号和前一次所述AD转换端口（118）转换的温度信号进行对比，得出差值后运用PID算法求得每一次所述AD转换端口（118）转换温度信号对应时刻的输出信号，并以脉宽调制信号的形式传输至所述加热驱动模块（400）；所述普通端口（116）还用于控制所述状态显示模块（120），从而反映系统的工作模式；所述串口（114）用于与所述上位机PC（600）进行通讯，将所述主控电路板（100）中的大小电流值，温度值传送至所述上位机PC（600）进行后处理。

3.根据权利要求1所述的半导体器件瞬态热测试装置，其特征在于：所述恒流源大小电流及开关切换模块（200）基于运算放大电路搭建，由输入整形模块（210）、电压跟随模块（220）、二阶滤波模块（230）、恒流驱动模块（240）和开关切换模块（250）依次串联构成；所述输入整形模块（210）由电阻R1（211）和电容C1（212）组成RC低通滤波器，用于将输入脉宽调制信号（PWM）转化为锯齿信号；所述电压跟随模块（220）由电阻R2（221）和集成运放1（222）组成电压跟随器起缓冲作用，使信号耗散在前级的比重降低；所述二阶滤波模块（230）由电阻R3（231）、电阻R4（234）、电容C2（232）、C3（233）和集成运放2（235）组成二阶低通滤波器为信号滤去毛刺部分；所述恒流驱动模块（240）由集成运放3（244）和外围电路组成线性控制电路，将锯齿信号和参考电压进行对比后输出对应的控制信号，并将此控制信号加在场效应管的门级，从而实现对输出电流的调整并给出恒流源信号；所述开关切换模块（250）由电阻R10（251）、电阻R11（253）、电阻R12（255）、三极管Q1（252）和场效应管MOSFET（254）构成，为主控电路板（100）给出控制信号到场效应管MOSFET（251）的栅极，从而控制恒流源信号的通断。

4.根据权利要求1所述的半导体器件瞬态热测试装置，其特征在于，所述加热驱动模块（400）实质为用恒流驱动，由输入整形模块（410）、电压跟随模块（420）、二阶滤波模块（430）、恒流驱动模块（440）依次串联构成；所述输入整形模块（410）由电阻R1'（411）和电容C1'（412）组成RC低通滤波器，用于将输入脉宽调制信号（PWM）转化为锯齿信号；所述电压跟随模块（420）由电阻R2'（421）和集成运放4（422）组成电压跟随器起缓冲作用，使信号耗散在前级的比重降低；所述二阶滤波模块（430）由电阻R3'（431）、电阻R4'（434）、电容C2'（432）、C3'（433）和集成运放5（435）组成二阶低通滤波器为信号滤去毛刺部分；所述恒流驱动模块（440）由集成运放6（444）和外围电路组成线性控制电路，将锯齿信号和参考电压进行对比后输出对应的控制信号，并将此控制信号加在场效应管的门级，从而实现对输出电流的调整，最终控制所述加热模块（300）的发热体直接对待测器件（001）进行加热。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的半导体器件瞬态热测试装置，其特征在于：所述加热模块（300）采用半导体加热制冷片。

6.根据权利要求2所述的半导体器件瞬态热测试装置，其特征在于，所述状态显示模块（120）由主控电路板（100）控制发光二极管亮灭来指示当前的工作模式。

7.根据权利要求2中任意一项所述的半导体器件瞬态热测试装置，其特征在于：所述核心控制模块（110）采用ARM微处理器芯片来实现。

8.根据权利要求2中任意一项所述的半导体器件瞬态热测试装置，其特征在于：所述开关电源模块（700）采用12V、8.5A的开关电源为驱动所述主控电路板（100）、恒流源大小电流及开关切换模块（200）和加热驱动模块（400）供电，并通过电平转换输出3.3V电平为所述核心控制模块（110）供电。