CN108303628B - 一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用矩形波信号测量半导体器件结温的方法，涉及半导体器件结温测试技术领域。利用矩形波信号测量半导体器件结温的装置设有电流源/电压源，用于输出不同占空比矩形波电流或电压、高分辨率示波器/数字万用表、电压探头、控温台。电源以连续矩形波信号驱动待测器件，待测器件固定在控温台上，电压探头接待测器件，探头的信号输出端接高分辨示波器/数字万用表。利用矩形波信号驱动半导体器件，不需要额外的电路将待测器件从加热状态切换至测试状态，避免开关切换带来的额外信号延迟。得到待测器件电压上升沿处电压峰值与加热后电压稳定值之间的电压差，经由电压‑温度敏感系数确定热沉与结之间的温差，从而确定器件结温。

Description

一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别是半导体器件的结温测试技术领域。

背景技术

半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。半导体器件的应用十分广泛，如集成电路、光电探测器、半导体发光二极管(LED)、半导体激光器、光电池等，为国民生产生活做出了巨大贡献。对于半导体器件而言，为提高其性能，散热一直是一个需要格外重视的问题，结温测试是半导体器件应用不可或缺的一环。结温直接影响半导体器件的寿命及工作效率，是评价器件性能优劣的一个举足轻重的参数，过高的结温甚至会使得器件直接失去正常的功能。结温的准确测试对半导体器件的可靠性评估及散热设计方面具有重要的实际指导意义。

常用的半导体器件结温测试方法有多种，如正向电压法、红外摄像法、脉冲电流法等。此外，若针对LED，还可以通过蓝白比法、峰值波长法、质心波长法等利用其发光特性的方法进行结温测试。在上述方法中，正向电压法是目前最普遍使用的一种结温测量方法，其具有非破坏性等优点[一种非接触式大功率LED结温测试方法,发明专利，公布号：CN103162856A]。然而，传统的正向电压法的关键是须将器件从加热状态切换至测试状态，具体来说，测试时，将器件从原来的大幅值线路(用于加热)断开，然后迅速接入小幅值线路(用于测试)。这样一来，电路发生变化，可能导致额外的测量误差增加，而且，开关切换速度延迟对测试精度有极大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体器件进行结温测试的方法，不需要额外的电路将待测器件从加热状态切换至测试状态，避免开关切换带来的额外信号延迟。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法，其特征在于，包括如下仪器装置：电流源、高分辨率示波器或数字万用表、电压探头、控温台；

所述电流源的输出端接待测半导体器件，所述电流源输出矩形波电流驱动待测半导体器件，待测半导体器件固定在控温台上，电压探头接待测器件，电压探头的信号输出端接高分辨示波器或数字万用表；

包括如下步骤：

1)在一热沉温度下，对待测半导体器件施加矩形波电流信号，矩形波电流信号的周期不低于10s，占空比落在50％-70％；当矩形波信号为大幅值时，待测半导体器件处于加热周期，所述大幅值为350mA-750mA；当矩形波信号为小幅值时，待测半导体器件处于冷却周期，所述小幅值为1mA-3mA；所述示波器或数字万用表连续保存待测半导体器件的电压波形数据；

2)通过控温台改变热沉温度，重复步骤2)，得到待测半导体器件在不同的热沉温度下对应的电压波形数据；

3)分析步骤2)中得到的待测半导体器件的电压波形数据，得到升沿处电压峰值与电压稳定值之间的差ΔV；。

4)在一热沉温度下，对待测半导体器件施加窄脉冲电流信号，窄脉冲电流信号的幅值与步骤1)中矩形波电流信号中的大幅值保持一致，得到窄脉冲电流信号下待测半导体器件的电压脉冲值；

5)通过控温台改变热沉温度，重复步骤4)，得到待测半导体器件在不同的热沉温度下对应的电压脉冲值；线性拟合得到电压-热沉温度敏感系数K；

6)ΔV/K得到待测半导体器件的温升ΔT，热沉温度加上温升即为待测半导体器件的结温。

本发明还提供了一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法，包括如下仪器装置：电压源、高分辨率示波器或数字万用表、电压探头、控温台；

所述电压源的输出端接待测半导体器件和分压电阻，所述电压源输出矩形波电压对待测半导体器件进行驱动，待测器件固定在控温台上，电压探头接待测半导体器件，电压探头的信号输出端接高分辨示波器或数字万用表；

包括如下步骤：

1)在一热沉温度下，对待测半导体器件施加矩形波电压信号，矩形波电压信号的周期不低于10s，占空比落在50％-70％；关于矩形波电压大小幅值的确定，以流过待测半导体的电流为准，即，当矩形波电压信号为大幅值时，待测半导体器件处于加热周期，所述大幅值应使流过器件的电流落在 350mA-750mA；当矩形波电压信号为小幅值时，待测半导体器件处于冷却周期，所述小幅值应使流过器件的电流落在1mA-3mA；所述示波器或数字万用表连续保存待测半导体器件的电压波形数据；

2)通过控温台改变热沉温度，重复步骤2)，得到待测半导体器件在不同的热沉温度下对应的电压波形数据；

3)分析步骤2)中得到的待测半导体器件的电压波形数据，得到升沿处电压峰值与电压稳定值之间的差ΔV；。

4)在一热沉温度下，对待测半导体器件施加窄脉冲电压信号，窄脉冲电压信号的幅值与步骤1)中矩形波电压信号中的大幅值保持一致，得到窄脉冲电压信号下待测半导体器件的电压脉冲值；

5)通过控温台改变热沉温度，重复步骤4)，得到待测半导体器件在不同的热沉温度下对应的电压脉冲值；线性拟合得到电压-热沉温度敏感系数K；

6)ΔV/K得到待测半导体器件的温升ΔT，热沉温度加上温升即为待测半导体器件的结温。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.本发明提供了一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法，采用一个或多个周期的矩形波信号驱动半导体器件，当多个周期连续驱动时，测试信号可以多周期叠加，进一步增强信噪比。

2.本发明提供了一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法，在半导体器件的电压上升沿处采集电压变化而非如传统方法一样在下降沿处采集，这是由于下降沿处是小信号，容易受到环境的干扰，在上升沿处采集的信号信噪比更强。

3.本发明提供了一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法，无需切换开关，避免了如传统正向电压法开关切换带来的额外信号延迟，测试结果更为精确可靠。信号延迟，即上升沿、下降沿时间偏慢带来的影响是，这种情况下测量的器件电压变化滞后于实际的结温变化，此时测试的结温较之实际结温偏低。

附图说明

图1为本发明优选实施例1中采用的矩形波电流信号波形图；

图2为本发明优选实施例1中所使用的测量装置组成框图；

图3为本发明优选实施例1中半导体器件热沉温度-脉冲电压值关系曲线图；

图4为本发明优选实施例1中半导体器件的电压稳定值与上升沿处电压峰值之间的电压差的说明图。

图5为本发明实施例2中矩形波电压信号驱动半导体器件的电路原理图。

具体实施方式1

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例提供了一种矩形波信号的方法测量半导体器件结温的方法，采用矩形波电流信号测量LED芯片结温。矩形波电流信号的波形如图1所示，周期 16s，占空比62.5％，当矩形波电流信号为大幅值时，待测半导体器件处于加热周期，所述大幅值为400mA；当矩形波电流信号为小幅值时，待测半导体器件处于冷却周期，所述小幅值为1mA。

参考图2，所述利用矩形波电流信号测量LED芯片结温的仪器装置设有电流源1、控温台2、高分辨率示波器3、电压探头4；实际应用中，还可以用万用表来代替高分辨率示波器3。

所述电流源1的输出端接待测LED芯片5，待测LED芯片5固定在控温台 2上，电压探头4接LED芯片5，电压探头4的信号输出端接高分辨率示波器3。

为验证本发明的可行性，LED芯片5表面无封装，可用热电偶直接测试对比。实际应用中LED芯片5有无封装皆可。

具体的测量步骤为：

1)将LED芯片5固定于控温台2，控制热沉温度25.2℃，用周期16s、占空比62.5％的矩形波电流信号驱动点亮LED芯片5，其中大幅值400mA，小幅值 1mA，同时利用高分辨率示波器3保存LED芯片5在该热沉温度下的电压波形数据。

2)通过温控台改变热沉温度，分别将热沉温度控制在34.2℃、43.3℃、 52.5℃、62.6℃，重复步骤1)。

3)分析步骤1)、2)中得到的LED芯片5在不同热沉温度下的电压波形数据，记录电压上升沿处电压峰值与电压稳定值Vs之间的电压差ΔV，Vs与ΔV 的说明见图4。

4)将LED芯片5固定于控温台2，热沉温度分别控制在25.2℃、29.5℃、 34.2℃、38.7℃、43.3℃，对LED芯片5施加一脉宽为200μs、周期100ms的窄脉冲电流信号，脉冲幅值为400mA，通过高分辨率示波器3保存各热沉温度下LED芯片5的脉冲电压值，线性拟合出电压-温度敏感系数K＝-4.77mV/℃，数据见表1，拟合结果见图3。

表1

热沉温度(℃)	脉冲电压值(V)
		25.2	3.5344
29.5	3.5114
		34.2	3.4892
38.7	3.4668
		43.3	3.4483

5)根据步骤3)得到ΔV与步骤4)得到K，通过ΔV/K得到待测半导体器件的温升ΔT，热沉温度加上温升即为待测半导体器件的结温。通过上述方法测量的结温与热电偶直接测试的结果相比较见表2。

表2

实施例2

本实施例采用矩形波电压信号驱动LED，此时，LED芯片5需串接一个分压电阻R后与电压源相连，分压电阻R的阻值不随电压变化而变化，电路图见图5。因为V＝V_R+V_LED，△V_R＝－△V_LED，则由于温度引起的LED芯片5二端电压变化和分压电阻R二端电压变化趋势相反。本实施例选用4Ω的分压电阻R，电压探头可接分压电阻R的二端，也可接LED芯片5的二端。矩形波电压信号的波形与实施例1中的矩形波电流基本一致，周期16s，占空比62.5％，大电压约5.2V，小电压约1.9V，此时流过LED的大电流约为400mA，小电流约为 1mA。

具体的测量步骤为：

1)将LED芯片5固定于控温台2，控制热沉温度25℃，用周期16s、占空比62.5％的矩形波电流信号驱动点亮LED芯片5，其中大幅值5.2V，小幅值1.9V，同时利用高分辨率示波器3保存LED芯片5在该热沉温度下的电压波形数据。

2)通过温控台改变热沉温度，分别将热沉温度控制在35℃、45℃、55℃、 65℃，重复步骤1)。

3)分析步骤1)、2)中得到的LED芯片5在不同热沉温度下的电压波形数据，记录电压上升沿处电压峰值与电压稳定值Vs之间的电压差ΔV。

4)将LED芯片5固定于控温台2，热沉温度分别控制在25℃、35℃、45 ℃、55℃、65℃，对LED芯片5施加一脉宽为200μs、周期100ms的窄脉冲电压信号，脉冲幅值为5.2V，通过高分辨率示波器3保存各热沉温度下LED芯片 5的脉冲电压值，线性拟合出电压-温度敏感系数K＝-4.80mV/℃。

5)根据步骤3)得到ΔV与步骤4)得到K，通过ΔV/K得到待测半导体器件的温升ΔT，热沉温度加上温升即为待测半导体器件的结温。通过上述方法测量的结温与热电偶直接测试的结果相比较见表3。

表3

经比较，不论是采用矩形波电流或是矩形波电压驱动LED芯片5，本发明的结温测试结果对比热电偶的相对误差均在3％以内，说明本发明得到的结温结果可靠。

以上所述仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明的技术范围，故凡依本发明的技术实质及说明书内容所作的等效变化与修饰，均应属本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法，其特征在于，包括如下仪器装置：电流源、高分辨率示波器或数字万用表、电压探头、控温台；

所述电流源的输出端接待测半导体器件，所述电流源输出矩形波电流驱动待测半导体器件，待测半导体器件固定在控温台上，电压探头接待测器件，电压探头的信号输出端接高分辨示波器或数字万用表；

包括如下步骤：

1)在一热沉温度下，对待测半导体器件施加矩形波电流信号，矩形波电流信号的周期不低于10s，占空比落在50％-70％；当矩形波电流信号为大幅值时，待测半导体器件处于加热周期，所述大幅值为350mA-750mA；当矩形波电流信号为小幅值时，待测半导体器件处于冷却周期，所述小幅值为1mA-3mA；所述示波器或数字万用表连续保存待测半导体器件的电压波形数据；

2)通过控温台改变热沉温度，重复步骤2)，得到待测半导体器件在不同的热沉温度下对应的电压波形数据；

3)分析步骤2)中得到的待测半导体器件的电压波形数据，得到升沿处电压峰值与电压稳定值之间的差ΔV；。

4)在一热沉温度下，对待测半导体器件施加窄脉冲电流信号，窄脉冲电流信号的幅值与步骤1)中矩形波电流信号中的大幅值保持一致，得到窄脉冲电流信号下待测半导体器件的电压脉冲值；

5)通过控温台改变热沉温度，重复步骤4)，得到待测半导体器件在不同的热沉温度下对应的电压脉冲值；线性拟合得到电压-热沉温度敏感系数K；

6)ΔV/K得到待测半导体器件的温升ΔT，热沉温度加上温升即为待测半导体器件的结温。

2.一种利用矩形波信号驱动半导体器件进行结温测试的方法，其特征在于，包括如下仪器装置：电压源、高分辨率示波器或数字万用表、电压探头、控温台；

所述电压源的输出端接待测半导体器件和分压电阻，所述电压源输出矩形波电压对待测半导体器件进行驱动，待测器件固定在控温台上，电压探头接待测半导体器件，电压探头的信号输出端接高分辨示波器或数字万用表；

包括如下步骤：

1)在一热沉温度下，对待测半导体器件施加矩形波电压信号，矩形波电压信号的周期不低于10s，占空比落在50％-70％；关于矩形波电压大小幅值的确定，以流过待测半导体的电流为准，即，当矩形波电压信号为大幅值时，待测半导体器件处于加热周期，所述大幅值应使流过器件的电流落在350mA-750mA；当矩形波电压信号为小幅值时，待测半导体器件处于冷却周期，所述小幅值应使流过器件的电流落在1mA-3mA；所述示波器或数字万用表连续保存待测半导体器件的电压波形数据；

2)通过控温台改变热沉温度，重复步骤2)，得到待测半导体器件在不同的热沉温度下对应的电压波形数据；

3)分析步骤2)中得到的待测半导体器件的电压波形数据，得到升沿处电压峰值与电压稳定值之间的差ΔV；。

4)在一热沉温度下，对待测半导体器件施加窄脉冲电压信号，窄脉冲电压信号的幅值与步骤1)中矩形波电压信号中的大幅值保持一致，得到窄脉冲电压信号下待测半导体器件的电压脉冲值；

5)通过控温台改变热沉温度，重复步骤4)，得到待测半导体器件在不同的热沉温度下对应的电压脉冲值；线性拟合得到电压-热沉温度敏感系数K；

6)ΔV/K得到待测半导体器件的温升ΔT，热沉温度加上温升即为待测半导体器件的结温。

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