CN104076265B - 一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法和装置，属于半导体器件电学和热学测量技术领域。所述方法包括：快速拉升半导体器件环境温度，并随时间快速线性上升。同时采集线性升高的环境温度和器件温敏参数值随时间变化。当测量温度随时间的线性变化率，以及温敏参数随温度变化率，即可得到温敏参数随温度的变化系数。所述装置包括：温度系数测试仪、温度控制平台和被测半导体器件。本发明采用动态法测量半导体器件温度系数，改变环境温度的同时采集相应温敏参数。该方法测量速度快，精度高，重复性好，极大地提高了半导体器件热性能的测量效率。

Description

一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法和 装置

技术领域：

本发明属于半导体器件电学和热学测量技术领域。具体涉及一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法和装置，实现快速准确测量半导体器件温度系数。

背景技术：

随着电子设备元器件集成度不断增加，热流密度迅速上升，而半导体器件性能受结温影响极大。器件的温升效应会降低系统工作效率，缩短寿命并影响器件多项关键参数。因此，快速、准确测量半导体器件结温和热阻就显得十分必要。在各种测量技术中，利用半导体器件电学参数与温度线性关系的电学法是广泛使用的技术。因此，准确测量器件电学参数的温度系数是获取结温和热阻的首要前提，同时，快速测量半导体器件参数随温度变化特性也是行业急需的技术问题，可以大大提高测试效率。

目前测量温度系数的方法为稳态法，即在器件多次达到热稳定后，测量对应参数确定器件温度系数。它的特点是测量时间长，通常温度达到设定值后，仍需恒温10到15分钟，测量一种器件需要至少3个温度点，总耗时约50分钟，测量效率低，非常不利于快速测量的需求。

本发明采用动态法测量，通过设定温度线性拉升过程，并测量温敏参数随时间的变化率，从而快速获取温敏参数的温度系数。其周期短，重复性好，精度高，适用于半导体器件温度系数的快速测量，提高测试效率以及测试精度。

发明内容：

针对现有技术存在的缺陷，本发明的主要发明点是：提供一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法和装置，实现快速获取温敏参数随温度变化的温度系数。测量周期短、重复性好、精度高，可以方便、快捷地测量半导体器件温度系数，较现有技术有着明显的先进性。

一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法，其特征在于，所述方法包括：

将被测半导体器件置于测试平台上，，设置测试平台温度随时间线性上升；上升速度范围为20℃/min到120℃/min；

测量测试平台温度随时间的线性变化率，测量温敏参数随时间的变化率；根据测得的所述温敏参数和测试平台温度随时间的线性变化率计算所述电学参数温度变化系数，即电学参数随着温度变化而变化的速率。

进一步，所述温敏参数包括半导体的电压、电流、电阻或波长随温度变化而变化的参数。当温敏参数包括半导体的电压、电流、电阻或波长时，温敏参数随时间的线性变化率测量除以测试平台温度随时间的线性变化率。

用于所述方法的装置，其特征在于，

本装置主体包括有：温度系数测试仪、温度控制器和被测半导体器件；

所述温度系数测试仪包括计算机、采集卡和激励源，为所述被测半导体器件提供激励信号，测试平台温度值和温敏参数由采集卡采集；

所述温度控制器由半导体制冷片、制冷片驱动控制器、温度传感器、热交换器和测试平台组成；

将被测半导体器件置于测试平台上，并与激励源连接；测试平台与温度传感器连接；半导体制冷片一面与测试平台紧密接触，另一面与热交换器紧密接触，并由制冷片驱动控制器控制；采集卡连接激励源和温度传感器；计算机连接并控制激励源、采集卡和制冷片驱动控制器。

进一步，当半导体温敏参数为电压时，激励源为电流源，大小为1-10mA，采集卡采集半导体电压值；

当半导体温敏参数为电阻时，激励源为电流源，大小为1-10mA，采集卡采集半导体电阻值。

进一步，所述温度控制器温控范围为20℃到100℃，带被测器件负载情况下，保证恒温平台温度随时间线性上升。

进一步，所述测试平台由导热系数大于200W/m·K的高导热材料制成。

进一步，所述被测半导体器件包括半导体二极管、半导体整流器、晶体管、半导体光电池、半导体激光器、半导体微波功率源及半导体集成电路具有温度系数的半导体器件。

本发明的具体技术方案是：

1.将被测器件300放置在温度线性变化的恒温平台203上；

2.设置恒温平台203的温度随时间线性变化；被测器件300温敏参数随环境温度线性变化时，采集温敏参数随时间变化，及恒温平台温度随时间的线性变化过程；

设温敏参数随环境温度线性变化关系：

V_T＝A+βT

其中，V_T为温敏参数，A为常数，β为温度系数，T为环境温度；

设定的环境温度随时间线性变化关系：

T(t)＝C+αt

dT＝αdt

其中，T(t)为随时间线性变化的环境温度，C为常数，α为环境温度随时间的线性上升速率，t为时间；

温敏参数V_T随温度的变化率β，

β＝dV_T/dT＝dV_T/(αdt)＝1/α·dV_T/dt

即，温敏参数的温度系数β，是温敏参数随时间的变化率除以恒温平台的温度线性速率；弱温敏参数随时间变化是线性，则温度系数即为：温敏参数的变化率除以温度变化率；

若温敏参数随温度变化不是线性，原理相同。此时dV_T/dt不再是线性。

测量的过程包括：

设置测试平台203温度随时间线性上升；

测量环境温度随时间变化值，温度的变化过程中，上升开始和结束部分会出现拐点现象，刨除这两部分外，其它过程为温度线性变化区域，对采集的温度线性部分的斜率即为所述的环境温度的线性变化率α；

3.测量温敏参数随温度变化的线性速率，以温敏参数随温度为线性变化为例，此时，上升开始和结束部分也会出现拐点现象，

刨除环境温度拐点部分，若温敏参数随温度是线性关系，其它随温度变化的直线部分斜率就是dV_T/dt，这样温敏参数的温度系数：β＝1/α·dV_T/dt

上述温敏参数包括电压、电流、电阻、波长等半导体随温度变化而变化的参数。

4.本发明提供了一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的装置，本装置主体包括有：温度系数测试仪100、温度控制器200和被测半导体器件300；

上述温度系数测试仪100由计算机101、采集卡103和激励源102组成，为上述被测半导体器件300提供测试电流，环境温度值和温敏参数由采集卡103采集；

上述温度控制器200由半导体制冷片204、制冷片驱动控制器202、温度传感器201、热交换器205和测试平台203组成；

将被测半导体器件300置于测试平台203上，并与激励源102连接；测试平台203与温度传感器201连接；半导体制冷片204一面与测试平台203紧密接触，另一面与热交换器205紧密接触，并由制冷片驱动控制器202控制；采集卡103连接激励源102和温度传感器201；计算机101连接并控制激励源102、采集卡103和制冷片驱动控制器202。

当半导体温敏参数为电压时，激励源102为电流源，大小为1mA，采集卡采集半导体电压值；当半导体温敏参数为电流时，激励源102为电压源，大小为器件阈值电压，采集卡采集半导体电流值；当半导体温敏参数为电阻时，激励源102为电流源，大小为1mA，采集卡采集半导体电阻值；当半导体温敏参数为波长时，激励源102为电流源，大小为1mA，采集卡采集半导体发射的波长值。

上述温度控制器温控范围为20℃到100℃，带被测器件负载情况下，保证恒温平台温度随时间线性上升，拉升速度范围为20℃/min到120℃/min。

上述温度传感器201温度采样精度不低于0.1℃，采样速度不低于环境温度拉升速度。一般100微秒至少采集一次，一般设置10微秒至少采集一次。

上述采集卡103采样速度高于环境温度温升速度10倍以上，即环境温度每升高1℃，至少采集10次数值。

上述测试平台由导热系数大于200W/m·K的高导热材料制成，包括铜、铝、石墨烯。与半导体制冷片204之间涂有导热硅脂，测试平台203温度即为被测半导体器件300环境温度；

利用压钳等压力装置使被测半导体器件300管壳与测试平台203紧密接触；

测试平台203温度由半导体制冷片204控制，其温度值由温度传感器201输出至采集卡103。

上述热交换器205为半导体制冷片204提供热量交换，可为水冷恒温平台或风冷平台，与半导体制冷片204之间涂有导热硅脂。

上述被测半导体器件300包括半导体二极管、半导体整流器、晶体管、半导体光电池、半导体激光器、半导体微波功率源及半导体集成电路等具有温度系数的半导体器件。

附图说明

图1是动态测量半导体器件温度系数的装置结构示意图；

其中——100：温度系数测试仪；101：计算机；102：测试电流源；103：采集卡；200：温度控制器；201：温度传感器；202：制冷片驱动控制器；203：测试平台；204：半导体制冷片；205：热交换器；300：被测半导体器件；

图2是具体实施方式中环境温度与时间的关系图；

图3是具体实施方式中正向结电压与时间的关系图；

图4是具体实施方式中正向结电压与环境温度的关系图；

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

选用Infineon公司生产的肖特基碳化硅二极管SDP06S60作为被测半导体器件300，使用本专利测试其温度系数，该器件温敏参数为正向结电压。

本装置主体包括有：温度系数测试仪100、温度控制器200和被测半导体器件300；

上述温度系数测试仪100由计算机101、采集卡103和测试电流源102组成，为上述被测半导体器件300提供测试电流，环境温度值和正向结电压由采集卡103采集；

温度控制器200由半导体制冷片204、制冷片驱动控制器202、温度传感器201、热交换器205和测试平台203组成；

温度控制器200温控范围为20℃到120℃，精度为±0.1℃，带被测半导体器件300负载情况下，保证温度拉升速度的线性关系。

测试平台203由紫铜材料(导热系数401W/m·K)制成，与半导体制冷片204之间涂有导热硅脂，测试平台203温度即为被测半导体器件300环境温度；

温度传感器201温度采样精度为±0.05℃，温度数据实时传送至采集卡103。

使用水冷恒温平台作为热交换器205为半导体制冷片204提供热量交换，与半导体制冷片204之间涂有导热硅脂。

测试电流源102为被测半导体器件300提供精密小电流，电流大小采用1mA，精度为10uA，由于测试电流较小，被测半导体器件300自温升可忽略；被测半导体器件300正向结电压由采集卡103采集。采集卡103采样速度为100次/秒。

测试前，将被测半导体器件300管壳涂抹导热硅脂置于测试平台203上，利用快速压钳使二者紧密接触。半导体制冷片203置于测试平台下方并紧密接触，制冷片驱动器202为其提供功率，热交换器205为其热量交换，保证半导体制冷片203正常工作；半导体制冷片203两侧接触面涂有导热硅脂，提高热传导率。

测量时，利用计算机101调节温度控制器200使测试平台203温度恒定为T1＝20℃；测试电流源102为被测半导体器件300提供小电流1mA，；温度和正向结电压由采集卡103采集至计算机101；

利用计算机101调节温度控制器200，使测试平台203温度随时间快速线性上升到T2＝120℃，拉升速度约30℃/min，采集卡103同时采集恒温平台温度值和相应器件正向结电压值，并送至计算机101进行处理；

环境温度上升的开始和结束部分存在拐点现象，刨除拐点部分和其他非线性部分温度值后，计算环境温度与时间线性关系的直线斜率，得到所述环境温度随时间的线性上升速率；测量温度值对应的温敏参数，得到温敏参数随温度变化的线性速率；测量温度值对应的温敏参数，得到温敏参数随时间变化的线性速率。

根据以下公式计算所述被测半导体器件300的温度系数：

设温敏参数随环境温度线性变化关系：

V_T＝A+βT

其中，V_T为温敏参数，A为常数，β为温度系数，T为环境温度；

设定的环境温度随时间线性变化关系：

T(t)＝C+αt

dT＝αdt

其中，T(t)为随时间线性变化的环境温度，C为常数，α为环境温度随时间的线性上升速率，t为加热时间；

则温度系数可表示为温敏参数随温度的线性变化率，也可表示为温敏参数随时间变化的线性速率除以温度的线性升温速率：

β＝dV/dT＝dV/(αdt)＝1/α·dV/dt

环境温度与时间的关系如附图2所示。从图中可以看出，温度拉升过程中，实线部分为环境温度随时间线性变化，虚线部分为需要被刨除的拐点部分，实线部分的斜率即环境温度随时间的线性变化关系：

α＝dT/dt＝0.54K/s

器件正向结电压与加热时间的关系如附图3所示。从图中可以看出，温度拉升过程中，实线部分为正向结电压随时间线性变化，虚线部分为需要被刨除的拐点部分，实线部分的斜率即正向结电压随时间的线性变化关系：

dV/dt＝-0.98mV/s

由以上两个斜率，即温敏参数随时间变化的线性速率除以温度的线性升温速率可以计算得出：

温度系数β＝1/α·dV/dt＝-1.76mV/K

器件正向结电压与环境温度的关系如附图4所示。从图中也可以看出，电压随温度呈线性变化，其斜率即

温度系数β＝dV/dT＝-1.76mV/K，

本专利测量温度系数总耗时为200秒(约3.5分钟)。如果采用稳态法测量该器件温度系数，环境温度从20℃起，温升间隔10℃，每次到达温度点后恒温10分钟采集一次结电压值，测量10个温度点的结电压后，温度达到120℃，温度系数测量结果为-1.77mV/K，共耗时100分钟。可以明显看出，本专利采用的动态法与传统的稳态法测量结果基本一致，误差仅为0.56％；而测量耗时本专利仅为传统方法的3.5％，本专利有着明显的先进性。

本发明采用动态法测量半导体器件温度系数，改变环境温度的同时采集相应正向结电压，测量周期短，重复性好，精度高，适用于半导体器件温度系数的快速测量。

Claims (7)

1.一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法，其特征在于：

将被测半导体器件置于测试平台上，测试平台温度由半导体制冷片控制，设置测试平台温度随时间线性上升；上升速度范围为20℃/min到120℃/min；

测量测试平台温度随时间的线性变化率，测量温敏参数随时间的变化率；根据测得的所述温敏参数和测试平台温度随时间的线性变化率计算所述电学参数温度变化系数，即电学参数随着温度变化而变化的速率；

其中，电学参数为温敏参数，电学参数温度变化系数为温敏参数的温度系数β，具体为：

(1)被测半导体器件温敏参数随测试平台温度线性变化时：

设置测试平台温度随时间线性上升，采集温敏参数随时间变化，及测试平台温度随时间的线性变化过程；

设温敏参数随测试平台温度线性变化关系：

V_T＝A+βT

其中，V_T为温敏参数，A为常数，β为温敏参数的温度系数，T为测试平台温度；

设定的测试平台温度随时间线性变化关系：

T(t)＝C+αt

dT＝αdt

其中，T(t)为随时间线性变化的测试平台温度，C为常数，α为测试平台温度的线性变化率，t为时间；

温敏参数V_T随温度的变化率，即温敏参数的温度系数β，

β＝dV_T/dT＝dV_T/(αdt)＝1/α·dV_T/dt

即温敏参数的温度系数β为温敏参数随时间的线性变化率除以测试平台温度的线性变化率；

(2)被测半导体器件温敏参数随测试平台温度变化不是线性时，原理与被测半导体器件温敏参数随温度变化是线性时相同，但是温敏参数随时间的变化率dV_T/dt不再是线性的；

上述过程中，采集测试平台温度随时间的线性变化过程中，上升开始和结束部分会出现拐点现象，刨除这两部分外，其它部分为温度线性变化区域，对应采集的温度线性部分的斜率即为测试平台温度的线性变化率α。

2.根据权利要求1所述的一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法，其特征在于：所述温敏参数是随温度变化而变化的参数，为半导体的电压、电流、电阻或波长。

3.一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的装置，所述快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的装置用于权利要求1所述的快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法，包括温度系数测试仪、温度控制器和被测半导体器件；

所述温度系数测试仪包括计算机、采集卡和激励源，所述激励源为所述被测半导体器件提供激励信号，所述采集卡采集测试平台温度值和温敏参数；

所述温度控制器由半导体制冷片、制冷片驱动控制器、温度传感器、热交换器和测试平台组成；

测量时，将被测半导体器件置于测试平台上，并与激励源连接；测试平台与温度传感器连接；半导体制冷片一面与测试平台紧密接触，另一面与热交换器紧密接触，并由制冷片驱动控制器控制；采集卡连接激励源和温度传感器；计算机连接并控制激励源、采集卡和制冷片驱动控制器。

4.根据权利要求3所述的一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的装置，其特征在于：

当所述被测半导体器件的温敏参数为电压时，所述激励源为电流源，大小为1-10mA，所述采集卡采集所述被测半导体器件的电压值；

当所述被测半导体器件的温敏参数为电阻时，所述激励源为电流源，大小为1-10mA，所述采集卡采集所述被测半导体器件的电阻值。

5.根据权利要求3所述的一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的装置，其特征在于：所述温度控制器温控范围为20℃到100℃，带所述被测半导体器件的情况下，保证测试平台温度随时间线性上升。

6.根据权利要求3所述的一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的装置，其特征在于：所述测试平台由导热系数大于200W/m·K的高导热材料制成。

7.根据权利要求3所述的一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的装置，其特征在于：所述被测半导体器件为半导体二极管、半导体整流器、半导体光电池、半导体激光器、半导体微波功率器件或半导体集成电路。