CN104459509A - 测量待测器件的热阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量待测器件的热阻的方法，该方法包括以下步骤：a)获得待测器件在阶跃功率脉冲作用下有源区的瞬态温度响应；b)运用快速傅里叶变换获得该瞬态温度响应的频谱；c)确定用于对所述瞬态温度响应进行反卷积运算的维纳逆滤波器的参数；d)基于该瞬态温度响应的频谱，利用该维纳逆滤波器对该瞬态温度响应进行反卷积运算，获得待测器件的热阻。本发明减少了测量待测器件的热阻的工作量和时间，提高了测试效率。

Description

测量待测器件的热阻的方法

技术领域

本发明涉及功率器件热阻测试领域,尤其涉及一种测量待测器件的热阻的方法。

背景技术

随着微电子技术的不断发展，功率器件的尺寸不断缩小，器件的集成度也相应的迅速提高。同时功率器件的封装逐渐向大电流、小型化发展，因而在器件性能迅速提升的同时，功耗引起的散热问题也就凸显了出来，受到越来越多的关注，一个器件散热性能的好坏已经成为评价器件整体性能的重要指标。

热阻是半导体器件重要的热性能参数。半导体器件的热阻测量技术的发展几乎伴随着晶体管的整个发展历程。热阻是表征阻止热量传递的能力的综合参数，也就是直接反映器件散热性能好坏的参数。热阻的定义为沿器件热流通道上的温差和通道上的热耗功率之比。

热阻测量的绝大多数方法是利用各种手段通过对温升的测量及热阻表达式获得器件的热阻。结构函数作为一种分析功率器件热阻的有力工具，对其研究与分析具有重要意义。在结构函数理论中，首先需要测量出功率器件在阶跃功率脉冲作用下，器件有源区的的瞬态温度相应曲线。然后对其进行反卷积运算。

现有的技术方案中，大部分都是采用贝叶斯迭代等时域法来处理。用时域方法处理结构函数中的反卷积运算，不仅数学理论复杂，并且算法实现计算量大、耗时长。而且在工程运用领域因为环境等因素的影响，时域方法对原始数据比较敏感，给实际的工程运用带来不便。

因此，急需一种新的对结构函数中的反卷积运算进行处理的方法 来解决上述问题。并为最终获得结构函数来打下基础。

发明内容

本发明旨在减少测量待测器件的热阻的工作量和时间，提高测试效率。

本发明提供了一种测量待测器件的热阻的方法，该方法包括以下步骤：

a)获得待测器件在阶跃功率脉冲作用下有源区的瞬态温度响应；

b)运用快速傅里叶变换获得该瞬态温度响应的频谱；

c)确定用于对所述瞬态温度响应进行反卷积运算的维纳逆滤波器的参数；

d)基于该瞬态温度响应的频谱，利用该维纳逆滤波器对该瞬态温度响应进行反卷积运算，获得待测器件的热阻。

与现有技术相比，采用本发明提供的技术方案具有如下优点：本发明利用维纳逆滤波器结合快速傅立叶变换算法，实现反卷积运算，解决了传统利用时域方法处理反卷积运算，数学理论复杂，并算法实现计算量大、耗时长的问题，减小了测量待测器件的热阻的工作量和时间，提高测试效率，解决了工程运用领域因为环境等因素的影响，时域方法对原始数据比较敏感的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为根据本发明的实施例的利用维纳逆滤波来实现反卷积运算的方法流程图；

图2为根据本发明的实施例用Phase11测试设备得到的测试信号；

图3为根据本发明的实施例的w_z(z)的频谱示意图；

图4为根据本发明的实施例的维纳逆滤波器用于信号反卷积的示 意图；

图5为根据本发明的实施例采用维纳逆滤波方法获得的R(z)；

图6为根据本发明的实施例未采用维纳逆滤波方法获得的R(z)。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的设备和方式的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他设备的可应用于性和/或其他方式的使用。

本发明提供了测量待测器件的热阻的方法。下面，将结合图2至图6通过本发明的一个实施例对图1的方法进行具体描述。如图1所示，本发明所提供的方法包括以下步骤：

在步骤S101中，获得待测器件在阶跃功率脉冲作用下有源区的瞬态温度响应。

具体地，首先提供待测器件。在本发明中，待测器件是一种功率器件，广义来说，电路中用来消耗电路里面的功率，达到放电，保护电路不被大电流破坏作用的器件都是功率器件。本发明所采用的功率MOSFET是一种功率半导体器件，以前也被称为电力电子器件，是进行功率处理的，具有处理高电压，大电流能力的半导体器件。早期的功率半导体器件有大功率二极管、晶闸管等等，主要用于工业和电力系统。功率MOSFET器件是后来发展的新型功率半导体器件。

本实施例中，所述待测器件是中国科学院微电子研究所抗辐照功率MOSFET，封装形式为SMD-2。本领域普通技术人员可以意识到其他功率器件也可作为待测器件使用。在其他实施例中，待测器件可以是任意需要并且可以进行热阻测试的功率器件。

本发明所测试的是待测器件的热阻，其测试信号会通过测试仪器得到，测试信号即待测器件在阶跃功率脉冲作用下有源区的瞬态温度响应。在结构函数理论中，首先需要测量出功率器件在阶跃功率脉冲作用下，器件有源区的的瞬态温度响应，即测试信号，然后对其进行反卷积运算，得到待测器件的热阻。

在本实施例中所采用的测试设备是美国的Phase11测试仪。它是由美国Analysis Tech公司生产的一种热阻测试机。主要用于二极管，三极管，LED二极管，可控硅，MOSFET，IGBT，IC等分离功率器件的热阻测试。在其他实施例中，本领域普通技术人员可选用其他任意可得到测试信号数据的测试设备。

图2是利用Phase11测试功率MOSFET得到的测试信号，在以下步骤中，将作为已知量来加以运用。

在步骤S102中，运用快速傅里叶变换获得测试信号(即上述瞬态温度响应)的频谱。

具体地，包括以下两个步骤，首先根据结构函数的理论，可以知道结构函数中的卷积运算：

$\frac{d}{\mathrm{dz}}a\left(z\right)={\∫}_0^{\∞}R\left(\mathrm{\ζ}\right)w_z(z-\mathrm{\ζ})\mathrm{d\ζ}---\left(1\right)$

其中a(z)是在步骤S101中测得的测试信号，右端的积分项中，w_z(z)＝exp[z-exp(z)]也已知。R(z)是热时域谱函数，现在的希望通过上式获得关于R(z)的信息。

由于在时域内处理该问题算法复杂，计算量大，耗时耗力，所以为了后面处理方便，我们将其转化到频域来处理。变换的方式选用FFT(快速傅立叶变换)，因为相对于傅立叶变换，采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被 变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。

对(1)式两端同时取快速傅立叶变换，则积分关系变成相乘关系，可得：

Y(ω)＝H(ω)×X(ω)   (2)

其中，H(ω)＝FFT[w_z(z)]，X(ω)＝FFT[R(z)]，式中的FFT[]即表示快速傅里叶变换，其中w_z(z)的频谱如图3所示。Y(ω)即为该瞬态温度响应的频谱。

在用上述方法将步骤S101中所获得的测试信号转化得到频谱后，会发现由于信号频谱受到环境等噪声的影响，会产生一些额外的频谱分量。而且在高频分量处，还会产生H(ω)＝0的情况，如图3所示。这在下一步骤的计算中会造成分母为零的情况，引起计算的震荡，因此，我们需要采取维纳逆滤波的方法来进行校正，以克服上述因噪声频谱和高频分量处H(ω)＝0的情况。在下一步中，我们将求解出维纳逆滤波器的参数，并在最后一个步骤中加以应用。

在步骤S103中，确定用于对所述瞬态温度响应进行反卷积运算的维纳逆滤波器的参数。

具体地，如图4所示是采用维纳逆滤波器来进行信号反卷积的示意图。首先，我们假设输入信号为x(n)，输出信号是y(n)，当输入信号x(n)经过系统函数之后，由于噪声的影响会对输出信号y(n)产生一个叠加噪声，此时系统输出满足关系式：

$x^{\′}\left(n\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}y(n-i)c\left(i\right)---\left(3\right)$

同时，根据维纳滤波器的原理，在一定的约束条件下，其输出与一给定函数(通常称为期望输出)的差的平方达到最小，即满足关系式：

E[|x(n)-x'(n)|²]＝min   (4)

为了满足(4)式，我们必须使得设计的维纳滤波器c(n)的参数λ能够满足误差(x(n)-x’(n))正交于输出y(n),也就是必须满足：

对任意的m，有：

$E\left[(x\left(n\right)-\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}y(n-i)c\left(i\right))y(n-m)\right]=0---\left(5\right)$

进而由(5)式可以得出： 

$R_{\mathrm{xy}}\left(m\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{yy}}(m-i)c\left(i\right)---\left(6\right)$

对(6)式两边取离散傅立叶变换可得：

S_xy(ω)＝S_yy(ω)C(ω)   (7)

上式中C(ω)是c(n)的离散时间傅里叶变换。S_xy(ω)和S_yy(ω)分别是交叉功率谱和自功率谱。

于是，维纳逆滤波器可以表示为：

$C\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_{\mathrm{yy}}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(8\right)$

同时，还可证明以下两式：

S_yy(ω)＝|H(ω)|² S_xx(ω)+S_nn(ω)   (9)

S_xy(ω)＝H^*(ω)S_xx(ω)   (10)

其中，S_xx(ω)和S_nn(ω)分别是输入信号和噪声信号的功率谱。

然后，将(9)、(10)代入(8)式可得：

$C\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{H^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2{S}_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{\ω}\right)+S_{\mathrm{nn}}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(11\right)$

因此，输入信号再经过维纳逆滤波器后的输出为：

$X^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{H^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)Y\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+\frac{S_{\mathrm{nn}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{\ω}\right)}}---\left(12\right)$

将(12)式改写成如下形式：

$X^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)=Y\left(\mathrm{\ω}\right)\·C\left(\mathrm{\ω}\right)/H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{Y\left(\mathrm{\ω}\right)}{H\left(\mathrm{\ω}\right)(1+\frac{\mathrm{\λ}}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2})}=\frac{Y\left(\mathrm{\ω}\right)H^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2(1+\frac{\mathrm{\λ}}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2})}---\left(13\right)$

其中λ是维纳逆滤波器的参数；

最后，比较式(12)和(13)即可求得λ的值：

$\mathrm{\λ}=\frac{S_{\mathrm{nn}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{1}{\frac{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_{\mathrm{nn}}\left(\mathrm{\ω}\right)}}=\frac{1}{\mathrm{SNR}}---\left(14\right)$

其中SNR是测试仪器的信噪比。在本实施例中测试仪器是 Phase11测试仪，通过查阅手册即可获得仪器的相关参数信噪比SNR，即可以通过(14)式确定维纳滤波器的参数λ。在其他实施中，如采用的是其他测试设备，也可通过查阅手册，咨询供应商等方式来获得设备的信噪比参数。

在步骤S104中，基于该瞬态温度响应的频谱，利用该维纳逆滤波器对该瞬态温度响应进行反卷积运算，获得待测器件的热阻。

具体的，在步骤S102中我们已经通过快速傅立叶变换得到了输入信号的频谱X(ω)，在步骤S103中，计算出了维纳滤波器的参数λ。将其代入步骤S102中的(2)式，我们可以进一步得出：

$X\left(\mathrm{\ω}\right)=Y\left(\mathrm{\ω}\right)\·C\left(\mathrm{\ω}\right)/H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{Y\left(\mathrm{\ω}\right)}{H\left(\mathrm{\ω}\right)(1+\frac{\mathrm{\λ}}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2})}---\left(15\right)$

其中，H(ω)＝FFT[w_z(z)]，X(ω)＝FFT[R(z)]。式中的FFT[]表示快速傅里叶变换。

最后对(15)式两边取逆傅里叶变换，即可实现反卷积运算，求得R(z)，求得热阻。本实施例中对反卷积运算进行处理的方法，其他领域的专业人员在解决其具有反卷积过程的工程问题时，也可以运用本发明提供的方案。

在求得热时域谱函数之后，按照结构函数的理论，逐步计算得到结构函数。具体如下：将热时域谱函数离散化，再进行叠加绘制积分式结构函数曲线，最后进行求导，即可获得我们所需要的微分式结构函数曲线。图5和图6所示分别是采用和未采用维纳逆滤波方法所获得的R(z)。从图中可以明显看出采用本发明所用的维纳逆滤波方法所获得的R(z)图像十分清晰。而没有运用维纳逆滤波方法的图6，因为环境等噪声的干扰，已经将要获得的有用信息R(z)完全淹没了。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过利用维纳逆滤波的方法，并结合快速傅立叶变换，解决了结构函数中的反卷积运算比较困难的问题。并在此基础上得到了清晰的R(z)图像。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (3)

1.一种测量待测器件的热阻的方法，该方法包括以下步骤：

a)获得待测器件在阶跃功率脉冲作用下有源区的瞬态温度响应；

b)运用快速傅里叶变换获得该瞬态温度响应的频谱；

c)确定用于对所述瞬态温度响应进行反卷积运算的维纳逆滤波器的参数；

d)基于该瞬态温度响应的频谱，利用该维纳逆滤波器对该瞬态温度响应进行反卷积运算，获得待测器件的热阻。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a)中的瞬态温度响应利用美国Phase11测试仪测试获得。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤c)包括：通过计算步骤a)中获得瞬态温度响应所用测试仪的信噪比的倒数来确定所述参数。