CN107561118A - 一种半导体器件微结构热阻的测量系统 - Google Patents

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田策
谢雪松
张小玲
冯睿睿
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Abstract

本发明涉及一种半导体器件微结构热阻的测量系统，包括被测器件、温箱、数据采集模块、FPGA控制模块、接口模块、上位机和电流源模块。半导体器件中存在着微米特征尺寸的微结构，这种微结构在器件热量传递过程中承受热应力的能力直接关系到器件性能的优劣，因此测量器件内部微结构的热阻，对提高器件可靠性具有重要的意义。本发明的数据采集模块包括AD转换电路，采用采样速率为65MSPS的AD转换芯片，相对于现有的热特性分析仪采样速率提高了多倍。高采样速率可以提供高时间分辨率，在一定的热量传输速度下，配合特殊算法可以获得更高的空间分辨率，相应的可以获得半导体器件内部微结构的热阻信息。

Description

一种半导体器件微结构热阻的测量系统
技术领域
本发明涉及半导体器件测量技术领域，具体涉及一种半导体器件微结构热阻的测量系统。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，半导体器件的应用领域得以迅速扩展，与此同时半导体器件的发热问题也日趋严重，这会影响半导体器件的温升和热应力，缩短其寿命。热阻是反映阻止热量传递的综合参量，可以反映半导体器件散热性能的好坏，因此可以通过半导体器件的热阻来分析器件的发热问题。半导体器件中存在着微结构，如半导体器件的GaAs、Si衬底上有着微米特征尺寸的结构，这种微结构在器件热量传递过程中承受着不同材料之间因热膨胀系数不匹配而产生的热应力，承受热应力的能力直接关系到器件性能的优劣，因此测量器件内部微结构的热阻，对提高器件可靠性具有重要的意义。现有的热特性分析仪能够通过结构函数曲线获得器件内部不同封装材料的热阻。但对于器件内部厚度为微米级的微结构，采样速率为1MSPS的现有的热特性分析仪无法精确采集到相关数据。
发明内容
为解决现有热特性分析仪无法采集微结构热阻的问题，本发明提供一种半导体器件微结构热阻的测量系统，其数据采集模块采用了采样速率为65MSPS的AD转换芯片，高采样速率可以提供高时间分辨率，在一定的热量传输速度下，配合特殊算法可以获得更高的空间分辨率，相应的可以获得半导体器件内部微结构的热阻信息。除此以外，本发明采用FPGA作为主控芯片来处理大量数据，极大地提高了系统运行速度。
本发明的工作原理如下：
利用电学参数法测量半导体器件热阻时，保持器件外壳温度恒定，向器件同时施加测试电流和加热电流，电功率将产生热量使器件内部结温升高。当趋于稳定状态后断开加热电流，器件的结温会逐步下降，由于小电流下半导体结电压随温度变化具有很好的线性，器件的结电压也会发生变化。采集结电压的变化值并应用上位机形成微分结构函数曲线，便得到器件内部各层材料的热阻。
本发明采用的技术方案为一种半导体器件微结构热阻的测量系统，包括被测器件、温箱、数据采集模块、FPGA控制模块、接口模块、上位机和电流源模块；所述被测器件置于温箱中并连接所述数据采集模块；所述数据采集模块包括前端调理电路、AD转换电路和信号隔离电路，所述数据采集模块的输出端连接所述FPGA控制模块；所述FPGA控制模块用于控制其他模块，包括数据采集、切换电流源以及将数据传输到接口模块；所述接口模块包括LAN接口和RS485接口，用于连接FPGA控制模块与上位机；所述上位机用于通过微分结构函数曲线获得微结构热阻；所述电流源模块的输出端连接至所述被测器件。
本发明系统的工作包括以下步骤：
S1.将被测器件置于温箱中，连接电流源模块和数据采集模块。
S2.FPGA控制模块控制电流源模块向被测器件施加测试电流，用数据采集模块采集被测器件的栅源电压，温箱每间隔t时间改变一次温度，以保证器件与温箱达到很好的热平衡，重复多次后得到栅源电压随温度变化的校准曲线；
S3.温箱温度保持恒定，FPGA控制模块控制电流源模块向被测器件施加测试电流和加热电流，当被测器件温度达到稳定值时，断开施加在被测器件上的加热电流，仅施加测试电流。被测器件温度会逐渐下降，直至其温度降至温箱温度。在被测器件温度下降的整个过程中，用数据采集模块采集被测器件的栅源电压，并将数据发送至FPGA控制模块；
S4.在接口模块中选择LAN接口或RS485接口进行数据传输，FPGA控制模块将数据通过接口模块传输至上位机；
S5.在上位机中通过S2得到的校准曲线获得相应的温度变化数据，根据温度变化数据进行结构函数分析，并得到被测器件的微分结构函数曲线。曲线上的拐点对应着被测器件内部不同材料的热阻，其中便包括微结构热阻。
本发明的技术特点在于：
本发明的数据采集模块包括前端调理电路、AD转换电路和信号隔离电路；所述前端调理电路用于将单端信号转化为差分信号，确保数据不受到外部电磁干扰的影响；所述AD转换电路采用采样速率为65MSPS的AD转换芯片，相对于现有的热特性分析仪采样速率提高了多倍。高采样速率可以提供高时间分辨率，在一定的热量传输速度下，配合特殊算法可以获得更高的空间分辨率，相应的可以获得半导体器件内部微结构的热阻信息；所述信号隔离电路利用磁耦隔离技术，消除外界环境中的噪声对电路的干扰，同时保护电路不受危险信号的损坏。
本发明的FPGA控制模块采用FPGA作为主控芯片来处理大量数据，极大地提高了系统运行速度。
附图说明
图1为本发明一种半导体器件微结构热阻的测量系统的模块连接图；
图2为本发明被测器件IGBT的截面图；
图3为本发明被测器件IGBT的校准曲线；
图4为本发明被测器件IGBT的微分结构函数曲线。
具体实施方式
图1为一种半导体器件微结构热阻的测量系统的模块连接图，包括被测器件、温箱、数据采集模块、FPGA控制模块、接口模块、上位机和电流源模块；所述被测器件置于温箱中并连接所述数据采集模块；所述数据采集模块包括前端调理电路、AD转换电路和信号隔离电路，所述数据采集模块的输出端连接所述FPGA控制模块；所述FPGA控制模块用于控制其他模块，包括数据采集、切换电流源以及将数据传输到接口模块；所述接口模块包括LAN接口和RS485接口，用于连接FPGA控制模块与上位机；所述上位机用于通过微分结构函数曲线获得微结构热阻；所述电流源模块的输出端连接至所述被测器件。
选取一型号的IGBT作为被测器件，其截面如图2所示。将IGBT置于温箱中，连接电流源模块和数据采集模块。
FPGA控制模块控制电流源模块向IGBT施加10mA的测试电流，10分钟后器件与温箱温度相同并趋于稳定状态，每间隔10分钟改变一次温箱的温度，并用数据采集模块采集IGBT的栅极-发射级电压VGE，重复多次后得到栅极-发射级电压VGE随温度变化的校准曲线，校准曲线如图3所示；
温箱温度保持恒定，FPGA控制模块控制电流源模块向IGBT施加10mA测试电流和10A的加热电流，当IGBT温度达到稳定值时，断开施加在IGBT上的加热电流，仅施加10A的测试电流。IGBT的温度会逐渐下降，直到与温箱温度相同。在IGBT温度下降的整个过程中，用数据采集模块采集IGBT的栅极-发射级电压VGE，并将数据发送至FPGA控制模块；
在接口模块中选择LAN接口或RS485接口进行数据传输，FPGA控制模块将数据通过接口模块传输至上位机；
在上位机中通过校准曲线获得相应的温度变化数据，根据温度变化数据进行结构函数分析，并得到IGBT的微分结构函数曲线，如图4所示。曲线上的拐点对应着IGBT内部不同材料的热阻，其中便包括微结构热阻。

Claims (3)

1.一种半导体器件微结构热阻的测量系统，其特征在于，包括被测器件、温箱、数据采集模块、FPGA控制模块、接口模块、上位机和电流源模块；所述被测器件置于温箱中并连接所述数据采集模块；所述数据采集模块包括前端调理电路、AD转换电路和信号隔离电路，所述数据采集模块的输出端连接所述FPGA控制模块；所述FPGA控制模块用于控制其他模块，包括数据采集、切换电流源以及将数据传输到接口模块；所述接口模块包括LAN接口和RS485接口，用于连接FPGA控制模块与上位机；所述上位机用于通过微分结构函数曲线获得微结构热阻；所述电流源模块的输出端连接至所述被测器件。
2.如权利要求1所述的半导体器件微结构热阻的测量系统，其特征在于，测量过程具体包括以下步骤：
步骤1、将被测器件置于温箱中，连接电流源模块和数据采集模块；
步骤2、FPGA控制模块控制电流源模块向被测器件施加测试电流，用数据采集模块采集被测器件的栅源电压，温箱每间隔t时间改变一次温度，以保证器件与温箱达到很好的热平衡，重复多次后得到栅源电压随温度变化的校准曲线；
步骤3、温箱温度保持恒定，FPGA控制模块控制电流源模块向被测器件施加测试电流和加热电流，当被测器件温度达到稳定值时，断开施加在被测器件上的加热电流，仅施加测试电流；被测器件温度会逐渐下降，直至其温度降至温箱温度；在被测器件温度下降的整个过程中，用数据采集模块采集被测器件的栅源电压，并将数据发送至FPGA控制模块；
步骤4、在接口模块中选择LAN接口或RS485接口进行数据传输，FPGA控制模块将数据通过接口模块传输至上位机；
步骤5、在上位机中通过S2得到的校准曲线获得相应的温度变化数据，根据温度变化数据进行结构函数分析，并得到被测器件的微分结构函数曲线；曲线上的拐点对应着被测器件内部不同材料的热阻，其中便包括微结构热阻。
3.如权利要求2所述的半导体器件微结构热阻的测量系统，其特征在于，步骤2具体为：FPGA控制模块控制电流源模块向被测器件IGBT施加10mA的测试电流，10分钟后器件与温箱温度相同并趋于稳定状态，每间隔10分钟改变一次温箱的温度，并用数据采集模块采集被测器件IGBT的栅极-发射级电压，重复多次后得到栅极-发射级电压随温度变化的校准曲线。
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