CN106443401B - 一种功率mos器件温升和热阻构成测试装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种功率MOS器件温升和热阻构成测试装置和方法属于功率MOS器件可靠性设计和测试领域。本发明设计了被测功率MOS器件漏‑源电压和栅‑源电压信号控制的快速切换开关；漏‑源大电流工作的快速切换开关；采用FPGA设计了漏‑源电压、栅‑源电压和漏‑源电流的采集和设定功能。测试中，首先得到温敏参数曲线；然后，给器件施加工作电流，使得器件升温，待器件输出功率达到稳态后，断开工作电流，接通测试电流，采集功率MOS器件源‑漏寄生二极管的结电压，对应得到器件结温曲线，再使用结构函数法处理分析，就可得到功率MOS器件的热阻构成。本发明解决测试仪器价格高昂，测量技术操作复杂，测量周期长的问题。

Description

一种功率MOS器件温升和热阻构成测试装置和方法
技术领域
该技术属于功率MOS器件可靠性设计和测试领域。该发明主要应用于快速、非破坏性确定功率MOS器件热阻构成的装置和方法。
背景技术
随着功率MOS器件朝着高压、大电流的方向发展，其在工作时产生的热量很高，导致器件有源区温度升高，将加速功率MOS器件的性能恶化。功率MOS器件温升的影响因素也与有源区到周围环境散热的路径中，各环节材料散热特性相关，包括半导体材料的芯片、焊料、封装管壳和热沉等。因此，准确测量出功率MOS器件工作时的温升可以分析器件的封装散热特性，也可以用来评估功率MOS器件的工作状态。
现有技术中，功率MOS器件的温升和热阻的测试方法多采用电学法，相关标准有美军标MIL-STD-750E 3101.4，国军标128A-97.3103等。相关仪器有Phase11热阻测试仪和T3Ster热阻测试仪，但两款仪器价格高昂，测量技术操作复杂，测量周期长。
发明内容
本发明的主要发明点在于:设计了被测功率MOS器件漏-源电压和栅-源电压信号控制的快速切换开关；漏-源大电流工作的快速切换开关；采用FPGA设计了漏-源电压、栅-源电压和漏-源电流的采集和设定功能。在进行电学法测量功率MOS器件的温升和热阻构成时，利用采集功率MOS器件源-漏寄生二极管的瞬态温升过程曲线技术，可以便捷、无损地获取功率MOS器件热阻构成信息。测量操作优化，测量周期较国外同类型仪器有很大减小。
基于这些发明点，本装置能够实现被测功率MOS器件漏-源电压和栅-源电压信号控制的切换开关的切换间隔小于5μs，处于同类仪器的先进水平，电压采样精度为16-bit，采集瞬态温升的采样频率为1MHz。
功率MOS器件温升和热阻构成测试仪装置的特征在于：
该装置包括：计算机100，可测量功率MOS器件芯片温升和热阻的测试仪200，被测功率MOS器件漏-源工作电源301，被测功率MOS器件302，恒温平台303；
测试仪200包含FPGA单元201，被测功率MOS器件测试电流源202，栅-源工作电压源203，栅-源工作电源开关204，时序脉冲信号205，漏-源工作电源开关206，被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207，工作电压电流采样电阻208。
被测功率MOS器件302放置在可调温的恒温平台303上；计算机100是控制中心，实现信号指令的发送，数据的传输和保存；计算机100通过时序信号控制FPGA单元201，分别接入测试电流源202，栅-源工作电压源203，源工作电源开关204，漏-源工作电源开关206；FPGA单元产生的时序脉冲信号205连接在栅-源工作电源开关204的一端,栅-源工作电源开关204的另一端连接在被测功率MOS器件302的栅极；器件工作电压电流采集单元207则连接在工作电压电流采样电阻208的两端，并通过USB连接到计算机100；被测功率MOS器件漏-源工作电源301则连接在漏-源工作电源开关206的一端；漏-源工作电源开关206和测试电流源202的另一端则连接在工作电压电流采样电阻208的一端，工作电压电流采样电阻208的另一端连接在被测功率MOS器件302的漏极。
使用上述连接的设置，测量被测功率MOS器件302温度系数的方法：
1)将被测功率MOS器件302接触放置在可调温度的恒温平台303上；连接好被测功率MOS器件302上的源、漏导线；设置恒温平台的温度为T1；
2)通过计算机100设置被测功率MOS器件测试电流源202的测试电流值，该值小于所加载功率的漏-源工作电流的1％，以保证产生的升温可以忽略。计算机100通过被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207采集该测试电流下的被测功率MOS器件302的漏-源电压。
3)将恒温平台升高温度到T2，重复步骤2，得到相同测试电流下的漏-源电压。多次改变恒温平台温度，重复步骤2的测量；然后利用最小二乘法计算出温度系数α。
使用上述连接的装置，测量被测器件温升和热阻的方法
I、将被测器件302接触放置在可调温度的恒温平台303上；连接好被测器件302栅、源、漏导线；设恒温平台温度为T0；
II、启动测量程序，设置计算机发出指令给测试电流源，输出与测量温度系数时相同的测试电流(保持一致性)，一直加载在被测功率MOS器件漏-源两端。通过被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207，采集此时未施加工作电流下的被测功率MOS器件漏-源电压V0；
III、通过计算机100设定加载工作电压VDS，工作电流IDS，测试电流Itest，施加功率时间tH，冷却采集时间tC；
IV、执行测量程序，通过FPGA单元201产生相应的控制指令给测试电流源202、栅-源工作电压源203、栅-源工作电源开关204、漏-源工作电源开关206。使得被测功率MOS器件处于设定工作电流下的工作状态，待其工作施加功率时间tH后，FPGA单元201产生相应的控制指令断开栅-源工作电压源203、栅-源工作电源开关204、漏-源工作电源开关206，同时受计算机控制的被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207采集被测功率MOS器件漏-源电压V(t)，采集时间即为冷却采集时间tC；
V、利用测得的被测功率MOS器件温度系数α，被测功率MOS器件的温度随时间的变化△T(t)＝[V(t)-V0]/α，被测功率MOS器件302工作时加载的功率P＝VDS*IDS，则温升除以功率就是热阻，Rth(t)＝△T(t)/(VDS*IDS)。测试仪对ΔT(t)曲线进行计算，得出被测功率MOS器件302的热阻也就是被测功率MOS器件的热阻构成。
附图说明
图1为本发明所涉及测试装置的示意图
图中序号对应的名称如下：
计算机100 栅-源工作电源开关204 漏-源工作电源301
测试仪200 时序脉冲信号205 被测功率MOS器件302
FPGA单元201 漏-源工作电源开关206 恒温平台303
测试电流源202 电压电流采集单元207
栅-源工作电压源203 工作电压电流采样电阻208
图2温升与加热时间的过程曲线图。
图3具体实施方式中被测功率MOS器件热阻构成示意图。
具体实施方式
首先将被测功率MOS器件302放置在可调温度的恒温平台303上。连接好功率MOS器件302的栅、源、漏导线，计算机100是控制中心，实现信号指令的发送，数据的传输和保存。计算机100通过USB连接FPGA单元201，通过时序信号控制FPGA单元201，分别接入测试电流源202，栅-源工作电压源203，栅-源工作电源开关204，漏-源工作电源开关206，计算机100通过USB与电压电流采集单元207连接。
测量时，控制计算机100发出指令，测试电流源202产生与测量被测功率MOS器件的温度系数相同的测试电流，接入被测功率MOS器件的漏-源两端，被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207采集被测功率MOS器件在未加载工作电流下的源-漏寄生二极管的结电压V0。然后，计算机100产生指令，通过FPGA单元使得栅-源工作电压源203产生设置的栅-源电压，FPGA单元输出时序脉冲信号205接入栅-源工作电源开关204，使得栅-源工作电压源203产生的栅-源电压施加在被测功率MOS器件栅-源两端。FPGA单元同时控制漏-源工作电源开关206，使得漏-源工作电源301的电压施加在被测功率MOS器件的漏-源两端。则此时被测功率MOS器件处于工作状态，被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207采集此时被测功率MOS器件的工作电压V和工作电流I，得到功率P＝VDS*IDS。
当被测功率MOS器件工作状态达到稳态后，计算机100发出指令，同时断开栅-源工作电源开关204和漏-源工作电源开关206，同时电压电流采集单元207采集被测功率MOS器件在小测试电流下，结电压随时间的降温曲线，直到V(t)不再变化。则此时[V(t)-V0]/α就是被测功率MOS器件温度随时间变化过程曲线。再除以功率P，可得到被测功率MOS器件的热阻，即热阻Rth＝(V(t)-V0)/αP，对其曲线实施热阻测试仪中的结构函数处理功能，即得到从被测功率MOS器件的热阻构成曲线。

Claims (3)

1.一种功率MOS器件热阻构成测试装置，其特征在于：
被测功率MOS器件放置在可调温的恒温平台上；计算机是控制中心，实现信号指令的发送，数据的传输和保存；计算机通过时序信号控制FPGA单元，分别接入测试电流源，栅-源工作电压源，栅-源工作电源开关，漏-源工作电源开关；FPGA单元产生的时序脉冲信号连接在栅-源工作电源开关的一端，栅-源工作电源开关的另一端连接在被测功率MOS器件的栅极；器件工作电压电流采集单元则连接在工作电压电流采样电阻的两端，并通过USB连接到计算机；被测功率MOS器件漏-源工作电源则连接在漏-源工作电源开关的一端；漏-源工作电源开关和测试电流源的另一端则连接在工作电压电流采样电阻的一端，工作电压电流采样电阻的另一端连接在被测功率MOS器件的漏极；
功率MOS器件热阻构成测试装置具体的工作过程：
通过计算机设置被测功率MOS器件测试电流源的测试电流值，要求在测量被测功率MOS器件温度系数时的测试电流值与测量温升和热阻时的测试电流值保持一致，计算机通过被测功率MOS器件工作电压电流采集单元采集该测试电流下的被测功率MOS器件的漏-源电压；
然后，计算机产生指令，通过FPGA单元使得栅-源工作电压源产生设置的栅-源电压，FPGA单元输出时序脉冲信号接入栅-源工作电源开关，使得栅-源工作电压源产生的栅-源电压施加在被测功率MOS器件栅-源两端，FPGA单元同时控制漏-源工作电源开关，使得漏-源工作电源的电压施加在被测功率MOS器件的漏-源两端，则此时被测功率MOS器件处于工作状态，被测功率MOS器件工作电压电流采集单元采集此时被测功率MOS器件的工作电压和工作电流；
当被测功率MOS器件工作状态达到稳态后，计算机发出指令，同时断开栅-源工作电源开关和漏-源工作电源开关，同时受计算机控制的被测功率MOS器件工作电压电流采集单元采集被测功率MOS器件漏-源电压。
2.应用如权利要求1所述装置测量被测器件的温度系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将被测功率MOS器件接触放置在可调温度的恒温平台上；连接好被测功率MOS器件上的源、漏导线；设置恒温平台的温度为T1；
2)通过计算机设置被测功率MOS器件测试电流源的测试电流值，该值小于所加载功率的漏-源工作电流的1％；计算机通过被测功率MOS器件工作电压电流采集单元采集该测试电流下的被测功率MOS器件的漏-源电压；
3)将恒温平台升高温度到T2)，重复步骤2)，得到相同测试电流下的漏-源电压；多次改变恒温平台温度，重复步骤2)的测量；然后利用最小二乘法计算出温度系数α。
3.应用如权利要求1所述装置测量被测器件温升和热阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
I、将被测功率MOS器件接触放置在可调温度的恒温平台上；连接好被测器件栅、源、漏导线；设恒温平台温度为T0；
II、启动测量程序，设置计算机发出指令给测试电流源，输出与测量温度系数时相同的测试电流，一直加载在被测功率MOS器件漏-源两端；通过被测功率MOS器件工作电压电流采集单元，采集此时未施加工作电流下的被测功率MOS器件漏-源电压V0；
III、通过计算机设定加载工作电压VDS，工作电流IDS，测试电流Itest，施加功率时间tH，冷却采集时间tC；
IV、执行测量程序，通过FPGA单元产生相应的控制指令给测试电流源、栅-源工作电压源、栅-源工作电源开关、漏-源工作电源开关；使得被测功率MOS器件处于设定工作电流下的工作状态，待其工作施加功率时间tH后，FPGA单元产生相应的控制指令断开栅-源工作电压源、栅-源工作电源开关、漏-源工作电源开关，同时受计算机控制的电压电流采集单元采集被测功率MOS器件漏-源电压V(t)，采集时间即为冷却采集时间tC；
V、利用测得的被测功率MOS器件温度系数α，被测功率MOS器件的温度随时间的变化△T(t)＝[V(t)-V0]/α，被测功率MOS器件工作时加载的功率P＝VDS*IDS，则温升除以功率就是热阻，Rth(t)＝△T(t)/(VDS*IDS)；测试仪对ΔT(t)曲线进行计算，得出被测功率MOS器件302的热阻也就是被测功率MOS器件的热阻构成。
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