CN109738777B - 一种双极型晶体管器件热阻构成测量装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种双极型晶体管器件热阻构成测量装置与方法，属于双极型晶体管器件可靠性设计和测试领域。本发明设计了集电极‑地连接高速开关和发射极‑地连接高速开关，通过这两个开关实现测量基极‑集电极(VBC)压降，由此得到双极型晶体管温升与热阻构成。测试中，首先得到温敏参数；然后给被测双极型晶体管器件施加工作电压，使器件升温，待器件达到稳定状态，断开工作电压，接通测试电流，采集基极‑集电极的电压，对应得到器件降温曲线，再使用结构函数法处理分析，就可以得到双极型晶体管的热阻构成。本发明提出一种不同于目前其他仪器测量基极‑发射极(VBE)压降的方法，测量方式更加合理，测量结果更加准确。

Description

一种双极型晶体管器件热阻构成测量装置与方法
技术领域
该技术属于双极型晶体管器件可靠性设计和测试领域。该发明主要应用于快速、非破坏性确定双极型晶体管热阻构成的装置和方法。
背景技术
双极型晶体管(BJT)又称三极管、晶体双极型晶体管，是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。尽管现在MOS器件运用更加广泛，但是双极型晶体管在射频(RF)、汽车电子等领域依然有着不可替代的作用。而且随着SiC BJT 的发展，克服了Si BJT击穿电压、工作温度和转换频率等劣势，双极型晶体管又重新引起人们的关注。
热阻是热流(功率)流过导热体时受到的阻力，会在导热体上产生温差。对于半导体器件，在工作时施加一定的功率，电热效应产生的热量会导致有源区温度升高。由于半导体材料的热敏特性，晶体管的参数几乎都会随着温度改变而变化，造成双极型晶体管工作点发生偏移甚至失效。双极型晶体管温升的影响因素也与芯片到周围环境散热途径有关，包括半导体材料的芯片、焊料、封装管科和热沉等。
现有技术中，半导体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。目前国内外广泛选取基极-集电极电压(VBE)电压变化作为温敏参数，测试双极型晶体管的热阻。但是，由于双极型晶体管正常工作时，发射结正偏、集电结反偏，电子集中于集电结，使得集电结温度高于发射结，采用基极- 集电极(VBC)电压作为温敏参数更加接近真实温度。
发明内容
本发明的主要发明点在于：选取基极-集电极电压(VBC)作为测量的温敏参数；设计被测双极型晶体管集电极-地和发射极-地电压信号控制的快速切换开关；双极型晶体管工作时发射极-集电极功率的快速切换开关；采用FPGA设计了基极-发射极电压、基极-集电极测试电流的采集和设定功能。在进行电学法测量双极型晶体管器件的温升和热阻构成时，利用采集双极型晶体管集电结的瞬态温升曲线，可以便捷、无损地获取双极型晶体管器件热阻构成信息。测量操作优化、测量周期减少且测量方式不同于目前国内外的仪器。
基于这些发明点，本装置能够实现被测双极型晶体管器件基极-发射极电压和集电极-发射极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。
双极型晶体管器件热阻构成测试仪装置的特征在于：
该装置包括：计算机100，串口转USB模块101，可测量双极型晶体管温升和热阻构成的测试仪200，被测双极型晶体管器件工作电源301，被测量双极型晶体管器件302，恒温平台303；
测试仪200包含FPGA单元201，集电结-地连接开关202，发射极- 地连接开关203，双极型晶体管工作电源开关204，双极型晶体管器件测试电流源205，双极型晶体管基极驱动模块206，电压电流采集单元207，工作电流采样电阻208。
被测双极型晶体管器件302放置于可调温的恒温平台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、保存与计算；计算机100通过串口模块101发送指令控制FPGA单元201，分别接入集电结- 地连接开关202、发射极-地连接开关203、工作电源开关204、测试电流源205和双极型晶体管基极驱动模块206；集电极-地连接开关202一端连接在被测双极型晶体管器件302的集电极，一端与地相连；发射极-地连接开关203一端连接在被测双极型晶体管器件302发射极，一端与地相连；测试电流源205和双极型晶体管基极驱动模块206都是一端连接FPGA单元201，一端与被测双极型晶体管器件302的基极相连；电压电流采集单元207分别连接在工作电流采样电阻208、被测双极型晶体管器件302集电极和基极，最后将数据上传到计算机100；被测双极型晶体管器件工作电源301则连接到双极型晶体管工作电源开关204的一端；双极型晶体管工作电源开关204的一端连接在工作电流采样电阻208的一端，工作电流采样电阻208的一端连接在被测双极型晶体管器件302的集电极。
使用上述连接的装置，测量被测双极型晶体管器件302温度系数的方法：
1)将被测器件302接触放置在可调温的恒温平台303上；连接好被测器件302上的基极、集电极和发射极导线；设置恒温平台的温度T1；
2)通过计算机100设置被测双极型晶体管器件测试电流源205的测试电流，该值小于所加功率的工作电流的1％，以保证产生的温升可以忽略。先由FPGA单元201关闭发射极-地连接开关203和工作电源来管204，然后计算机100通过被测双极型晶体管器件电压电流采集单元207采集测试电流下被测器件302基极-集电极(VBC)的电压；
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电压。多次改变恒温平台的温度，重复步骤2的测量；利用最小二乘法计算出基极-集电极温度系数ɑ。
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接触放置到可调温度的恒温平台303上，连接好被测器件302基极、集电极和发射极，设置恒温平台温度为T0；
Ⅱ、启动测量程序，设置计算机100发指令给测试电流源205，输出与测试温度系数时相同的测试电流(保持一致性)，关闭工作电源开关204 和发射极-地连接开关203，打开集电极-地开关202。通过电压电流采集单元207，采集未施加工作电压电流下的被测双极型晶体管基极-集电极之间的电压 V0；
III、通过计算机100设置基极-发射极电压VBC，测试电流ITEST，被测器件302工作时间tH，冷却采集时间tC；
IV、执行测量程序，通过FPGA单元201产生相应的时序控制，控制集电极-地连接开关202关闭、发射极-地连接开关203打开、双极型晶体管工作电源开关204打开。使被测双极型晶体管302处在设定工作电压电流下，同时通过电压电流采集单元207采集集电极-发射极电压VC和电流 IC。在施加功率时间tH后，FPGA单元201发出控制指令，打开集电极-地连接开关202、关闭发射极-地连接开关203和双极型晶体管工作电源开关204，同时电压电流 采集单元207采集被测双极型晶体管302的基极-集电极(VBC) 电压V(t)，采集时间即为冷却采集时间tC；
V、利用测得的被测双极型晶体管器件302温度系数，被测双极型晶体管器件302的温度随时间的变化△T(t)＝[V(t)-V0]/α，被测双极型晶体管器件302工作时的功率P＝VC*IC，则热阻：Rth(t)＝△T(t)/P。测试仪对ΔT(t) 曲线进行计算，得到被测双极型晶体管器件302的热组构成。
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 串口转USB101 双极型晶体管工作电源301
测试仪200 集电极-地连接开关202 发射极-地连接开关203
FPGA单元201 工作电源开关204 测试电流源205
三级管基极驱动模块206 电压电流采集单元207
工作电流采样电阻208 被测双极型晶体管器件302 恒温平台303
图2温升与加热时间的过程曲线；
图3被测双极型晶体管器件热阻构成示意图。
具体实施方式
首先将被测双极型晶体管器件302放置在可调温的恒温平台303上，连接好双极型晶体管器件302的基极、集电极和发射极的导线，计算机100 是控制中心，实现信号指令的发送，数据的传输、处理与保存。计算机100 通过串口转USB模块101连接FPGA单元201，通过时序信号控制FPGA 单元201，分别接入集电结-地连接开关202、发射极-地连接开关203、工作电源开关204、测试电流源205和双极型晶体管基极驱动模块206。
测量时，控制计算机100发指令给测试电流源205，输出与测试温度系数时相同的测试电流(保持一致性)，关闭工作电源开关204和发射极 -地连接开关203，打开集电极-地开关202。通过电压电流 采集单元207，采集未施加工作电压电流下的被测双极型晶体管基极-集电极之间的电压V0。然后，计算机100发出指令，通过FPGA单元201控制双极型晶体管基极驱动模块206产生设置的基极-发射极电压，打开发射极-地连接开关203 和工作电源开关204，关闭集电极-地连接开关202。则此时，被测双极型晶体管器件302处于工作状态，电压电流采集单元207采集被测双极型晶体管器件302的集电极电压VC和电流IC，得到功率P＝VC*IC。
当被测双极型晶体管器件302工作状态达到稳定后，计算机100发出指令，关闭基极驱动模块206、发射极-地连接开关203和工作电源开关204，同时打开集电极-地开关202。此时，电压电流采集单元207开始采集被测双极型晶体管器件302在小测试电流小，基极-集电极电压随时间的降温曲线，直到V(t)不再变化。则此时△T(t)＝[V(t)-V0]/α就是温度随时间变化过程曲线。再除以功率P，可得到被测双极型晶体管器件302的热阻，即热阻Rth＝△T(t)/P，对其曲线实施热阻测试仪中的结构函数处理功能，即得到从被测双极型晶体管器件302的热阻构成曲线。

Claims (1)

1.一种双极型晶体管器件热阻构成测量装置，其特征在于，该装置包括：计算机，串口转USB模块，测量被测双极型晶体管器件 温升和热阻构成的测试仪，被测双极型晶体管器件工作电源，被测双极型晶体管器件，恒温平台；
测试仪包含FPGA单元，集电极-地连接开关，发射极-地连接开关，被测双极型晶体管器件工作电源开关，被测双极型晶体管器件测试电流源，被测双极型晶体管器件基极驱动模块，电压电流采集单元，工作电流采样电阻；
被测双极型晶体管器件放置于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、保存与计算；计算机通过串口模块发送指令控制FPGA单元，分别接入集电极-地连接开关、发射极-地连接开关、工作电源开关、测试电流源和被测双极型晶体管器件基极驱动模块；集电极-地连接开关一端连接在被测双极型晶体管器件的集电极，一端与地相连；发射极-地连接开关一端连接在被测双极型晶体管器件发射极，一端与地相连；测试电流源和被测双极型晶体管器件基极驱动模块都是一端连接FPGA单元，一端与被测双极型晶体管器件的基极相连；电压电流采集单元分别连接在工作电流采样电阻、被测双极型晶体管器件集电极和基极，最后将数据上传到计算机；被测双极型晶体管器件工作电源则连接到被测双极型晶体管器件工作电源开关的一端；被测双极型晶体管器件工作电源开关的一端连接在工作电流采样电阻的一端，工作电流采样电阻的一端连接在被测双极型晶体管器件的集电极；
测量被测器件温度系数的方法，包括以下步骤：
1)将被测器件接触放置在可调温的恒温平台上；连接好被测器件上的基极、集电极和发射极导线；设置恒温平台的温度T1；
2)通过计算机设置被测双极型晶体管器件测试电流源的测试电流，该值小于所加功率的工作电流的1％，以保证产生的温升能忽略；先由FPGA单元关闭发射极-地连接开关和工作电源开关，然后计算机通过被测双极型晶体管器件电压电流采集单元采集测试电流下被测器件基极-集电极的电压；
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电压；多次改变恒温平台的温度，重复步骤2)的测量；利用最小二乘法计算出基极-集电极温度系数ɑ；
测量被测器件温升和热阻的方法，包括以下步骤：
Ⅰ、将被测器件接触放置到可调温度的恒温平台上，连接好被测器件基极、集电极和发射极，设置恒温平台温度为T0；
Ⅱ、启动测量程序，设置计算机发指令给测试电流源，输出与测试温度系数时相同的测试电流，关闭工作电源开关和发射极-地连接开关，打开集电极-地开关；通过电压电流采集单元，采集未施加工作电压电流下的被测双极型晶体管器件基极-集电极之间的电压V 0；
III、通过计算机设置基极-集电极电压VBC，测试电流ITEST，被测器件工作时间tH，冷却采集时间tC；
IV、执行测量程序，通过FPGA单元产生相应的时序控制，控制集电极-地连接开关关闭、发射极-地连接开关打开、被测双极型晶体管器件工作电源开关打开；使被测双极型晶体管器件处在设定工作电压电流下，同时通过电压电流采集单元采集集电极电压V C和电流I C；在施加功率时间tH后，FPGA单元发出控制指令，打开集电极-地连接开关、关闭发射极-地连接开关和被测双极型晶体管器件工作电源开关，同时电压电流采集单元采集被测双极型晶体管器件的基极-集电极电压V(t)，采集时间即为冷却采集时间tC；
V、利用测得的被测双极型晶体管器件温度系数，被测双极型晶体管器件的温度随时间的变化△T(t)＝[V(t)-V0 ]/α，被测双极型晶体管器件工作时的功率P＝VC *IC，则热阻：Rth(t)＝△T(t)/(VC *I C )；测试仪对ΔT(t)曲线进行计算，得到被测双极型晶体管器件的热阻构成。
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