CN110221190A - 功率半导体器件安全工作区精确测量方法 - Google Patents

功率半导体器件安全工作区精确测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110221190A
CN110221190A CN201910489548.XA CN201910489548A CN110221190A CN 110221190 A CN110221190 A CN 110221190A CN 201910489548 A CN201910489548 A CN 201910489548A CN 110221190 A CN110221190 A CN 110221190A
Authority
CN
China
Prior art keywords
operation area
safety operation
temperature
module
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910489548.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110221190B (zh
Inventor
谢雪松
刘晟豪
张小玲
朱文举
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201910489548.XA priority Critical patent/CN110221190B/zh
Publication of CN110221190A publication Critical patent/CN110221190A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110221190B publication Critical patent/CN110221190B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2601—Apparatus or methods therefor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

功率半导体器件安全工作区精确测量方法涉及半导体器件安全工作区的测量。本发明通过一定的控制方法，使器件在不同的热、电条件下处于稳定状态，利用激光诱导的方式引入热斑，通过观察激光撤掉后的电学参数变化，找到临界点，在热斑即将产生时刻保护被测器件不至于毁损，并记录此时刻的电流、电压、温度数据，此即为安全工作区曲线上的一点，通过改变外部条件，可以逐点描绘出器件产生“热斑”的条件轨迹，此曲线即为安全工作区曲线。

Description

功率半导体器件安全工作区精确测量方法
技术领域
本发明涉及半导体器件安全工作区的测量，本发明特别地但是非排他性地用于N沟道功率VDMOS安全工作区的测量。
背景技术
对功率器件安全工作区曲线的获得方法，传统上一般采用“击穿电压限”、“最大电流限”、“导通电阻限”“功耗限”来粗略估算、绘制安全工作区。当测试条件发生改变时，所测得边界线亦会发生改变。且传统意义上的“功耗限”是根据结壳热阻和允许的最大温升计算出来的。功率半导体器件在实际工作中壳温远远高于25℃，而传统方法得到的安全工作区都是基于TC＝25℃下的计算值，和实际工作条件偏差太大，因此不能作为核较其是否安全工作的标准。王彩琳、孙丞曾提出利用ISE软件模拟不同温度下器件的导通特性和阻断特性以及温度对其关键特性参数的策略，对安全工作区进行了分析，其特点是模拟实际的应用条件，但仿真结果与真实情况仍存在偏差。
由于技术不断的进步，目前通常采用沟槽以及隔离栅SGT技术，单元的密度急剧提高，单元和单元间的间距小，容易相互加热产生局部的热集中，导致内部的单元不平衡，热电效应的影响明显的增强，特别是在高压的时候，内部的电场外强度大，进一步增加热电效应。因此，使用传统计算方法绘制的安全工作区SOA曲线，和实际的应用偏差非常大。
发明内容
1.针对现有功率半导体器件安全工作区测量方法的不足，围绕器件热斑问题，提出一种新的安全工作区测量方法，更准确的描绘器件实际的安全工作区。
2.真正决定器件安全工作区的是器件的热特性，而不是电特性，而器件热烧毁往往都是因为热斑烧毁的，因此本方法围绕器件热斑问题，通过一定的控制方法，使器件在不同的热、电条件下处于稳定状态，利用激光诱导的方式人为引入热斑，通过观察激光撤掉后的电学参数变化，找到临界点，在热斑即将产生的关键时刻保护被测器件不至于毁损，并记录此时刻的电流、电压、温度数据，此即为安全工作区曲线上的一点，通过改变外部条件，可以逐点描绘出器件产生“热斑”的条件轨迹，此曲线即为安全工作区曲线。
3.当器件工作在电流正温度系数区时，芯片某点温度过高会引发该点发生电流集中效应，当使用激光照射其表面时会导致照射点发生电流集中效应，电流集中导致改点功率变大，从而导致该点温度升高。由于热电反馈，温度升高又会继续使电流增大，如此循环往复，在短时间内使局部电流迅速增大，形成热斑，最终将器件烧毁。
4.本发明提到的控制方法是栅极施加固定电压，PID仪表设定温度，仪表根据当前检测到的温度与设定温度进行比较，自动调整输出，并通过转换电路转换为对漏极电压的控制，最终使待测器件在一定的偏置电压和电流条件、以及恒定的温度稳定下来。
5.转换电路包含减法器模块、乘法器模块、DC-DC模块。减法器模块的X1输入端与PID仪表输出端相连，X2输入端接固定10V电压；乘法器模块的X2输入端与减法器模块的输出端相连，乘法器模块的X1输入端与DC-DC模块的输出端R15与R13中间点V0相连，乘法器模块的输出端与DC-DC模块反馈信号相连，DC-DC模块输入端接直流电源，输出端与被测功率器件漏极连接。PID仪表的输出电压变化范围很小，而被测功率器件漏端电压通常较大，通过此转换电路，即可实现小电压的变化控制大电压的变化，从而不断调节施加在功率器件的漏极电压。
6.将被测器件开帽，用450nm波长的激光照射芯片表面，当芯片在即将产生热斑的的临界条件处于热平衡状态时，此时激光短暂的照射芯片后，芯片温度升高，电流增大，由于热电反馈，电流增大又会引起温度升高，且该反馈现象不因撤掉激光而消失。记录此时的电压、电流的偏置条件以及温度，此即为安全工作区的一点。改变偏置条件，逐点测试，最终描绘出安全工作区。
7.为了防止器件电流过大烧毁，通过保护电路设置一个额定限流值，当器件电流超过额定电流值时，立刻切断栅压，使电流为0，该额定电流值由器件的手册给出。
附图说明
图1为传统安全工作区测量方法与本发明实测安全工作区对比，图中各标号含义如下：
1.导通电阻限制线 2.最大电流限制线 3.最大电压限制线 4.直流功率限制线5.脉冲功率限制线 6.热不稳定限制线
图2为整体技术方案示意图
图3为转换电路原理图
图4为减法器模块与乘法器模块电路连接图
图5为高速过流保护示意图
具体实施方式
待测功率半导体器件为N沟道功率VDMOS，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围
将待测功率半导体器件开帽后放在较大的散热片上，以帮助器件良好的散热，并用螺丝固定好。
芯片正下方散热片的位置打一个孔，将热电偶通过该孔顶在管壳下。由于热量的传递路径是从芯片向正下方，所以将热电偶顶在该位置可以准确的测量壳温。
热电偶的另一端与PID仪表相连，用于显示实时测量的温度。
PID仪表根据所设定的温度，会自动调整输出电压，使负载的温度稳定在所设定的温度。
利用PID仪表控制VDMOS漏端的电压，栅极施加固定的电压。
由于PID仪表的输出电压较小，而VDMOS漏端一般需要的电压较大，所以PID仪表需要通过转换电路，来实现小电压的变化控制大电压的变化。
转换电路由DC-DC模块、乘法器模块、减法器模块组成。
如图3所示，减法器模块的X1输入端与PID仪表相连，X2输入端接固定10V电压。减法器模块的输出端与乘法器模块的X2输入端相连。
如图3所示，乘法器模块具有两个输入端，X2输入端与减法器模块的输出端相连，X1输入端与DC-DC模块的R15与R13的中间点V0端相连，乘法器模块的输出端与反馈信号端VFB相连。
DC-DC模块的输入端接直流电源，输出端电压VOUT与被测器件漏极相连接，输出电压范围0～130V。
该减法器模块的输出逻辑为Y＝X2-X1，X2端固定电压10V。当PID仪表输出0～10V时，减法器模块的输出电压为10～0V。
乘法器模块的输出逻辑为Y＝(X1*X2)/10。
当PID仪表的输出电压减小时，会导致乘法器模块的X2输入端电压增大，输出端V1的值就会增大，从而导致VFB增大。VFB增大又会导致VOUT减小，VOUT减小又会导致乘法器模块X1输入端的电压减小，从而使乘法器模块的输出V1减小，V1减小使得VFB减小，由于闭环控制，VFB最终与芯片内部参考电压相等，使DC-DC输出端电压处于恒压状态。
最终的控制效果是，当PID仪表的输出电压增大，DC-DC模块的输出电压增大；当PID仪表的输出电压减小，DC-DC模块的输出电压减小。当PID仪表的输出电压不变时，DC-DC模块的输出电压亦不再变化，如此便实现了小电压的变化控制大电压的变化。
示波器接在待测器件的漏源两端用以显示当前漏电压，并且在漏端串接一个高灵敏度、高分辨率的台式万用表用来显示当前电流。
当待测器件在一定的电压电流偏置条件和温度下稳定后，此时对开帽的器件照射激光。
该激光器输出功率0～2.5W可调，波长450nm，小于硅的本征吸收长波限，可以激发出电子空穴对，产生本征吸收，从而形成电流。
当器件工作在电流正温度系数区时，芯片某点温度过高会引发该点发生电流集中效应，当使用激光照射其表面时会导致照射点发生电流集中效应，电流集中导致改点功率变大，从而导致该点温度升高。由于热电反馈，温度升高又会继续使电流增大，如此循环往复，在短时间内使电流迅速增大，将器件烧毁。
当芯片在即将产生热斑的的临界条件处于热平衡状态时，此时激光照射芯片后，芯片温度升高，电流增大，由于热电反馈而循环往复，且该反馈现象不因撤掉激光而消失，记录此时的电压、电流的偏置条件以及温度，此即为安全工作区的一点。
改变偏置条件，逐点测试，逐点记录，最终描绘出安全工作区。
当器件即将产生热斑时，由于热电反馈，器件电流会在短时间内迅速增大，为避免器件电流过大而烧毁，通过保护电路设置一个限流值，该值为器件的额定电流值，由器件厂商的手册给出，当电流超过此值时，立刻在1us内关断栅压，使电流为0。

Claims (6)

1.一种功率半导体器件安全工作区测量方法，其特征在于：使器件在不同的热、电条件下处于热平衡状态，利用激光诱导的方式引入热斑，通过观察激光撤掉后的电学参数变化，找到临界点，在热斑即将产生关键时刻保护被测器件不至于毁损，并记录此时刻的电流、电压和温度数据，此即为安全工作区曲线上的一点，通过改变外部条件，逐点描绘出器件产生“热斑”的条件轨迹，此曲线即为安全工作区曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：栅极给一固定电压，PID仪表设定温度，仪表根据当前检测到的温度与设定温度进行比较，自动调整输出，并通过转换电路转换为对漏极电压的控制，最终让器件在设定的温度下恒温。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的转换电路，包含减法器模块、乘法器模块、DC-DC模块；减法器模块的X1输入端与PID仪表输出端相连，X2输入端接固定10V电压；乘法器模块的X2输入端与减法器模块的输出端相连，乘法器模块的X1输入端与DC-DC模块相连，乘法器模块的输出端与DC-DC模块反馈信号输入端相连；DC-DC模块输入端接直流电源，输出端与被测功率器件漏极连接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，引入热斑具体为：将被测器件开帽，在芯片处于热平衡状态时刻用波长450nm激光照射芯片表面。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，临界点具体为：芯片处于热平衡状态时，当激光照射芯片后，芯片温度升高，电流增大，电流增大又会引起温度升高，且该反馈现象不会因为撤掉激光而消失。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过保护电路设置一个额定电流值，该额定电流值由器件手册给出，当器件电流超过额定电流值，立刻切断栅压，使电流为0。
CN201910489548.XA 2019-06-06 2019-06-06 功率半导体器件安全工作区精确测量方法 Active CN110221190B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910489548.XA CN110221190B (zh) 2019-06-06 2019-06-06 功率半导体器件安全工作区精确测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910489548.XA CN110221190B (zh) 2019-06-06 2019-06-06 功率半导体器件安全工作区精确测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110221190A true CN110221190A (zh) 2019-09-10
CN110221190B CN110221190B (zh) 2021-11-26

Family

ID=67819589

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910489548.XA Active CN110221190B (zh) 2019-06-06 2019-06-06 功率半导体器件安全工作区精确测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110221190B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117330951A (zh) * 2023-11-16 2024-01-02 华羿微电子股份有限公司 一种mos开关器件的soa测试系统及测试方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57173766A (en) * 1981-04-17 1982-10-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Safe operation area measurement for transistor
JP2000131380A (ja) * 1998-10-21 2000-05-12 Canon Inc 半導体素子の試験装置及び試験方法
WO2004034072A1 (en) * 2002-10-11 2004-04-22 Aoti Operating Company, Inc. Semiconductor testing instrument to determine safe operating area
US20050018732A1 (en) * 2002-12-19 2005-01-27 Aaron Bond Uncooled and high temperature long reach transmitters, and high power short reach transmitters
CN101893677A (zh) * 2010-07-07 2010-11-24 佛山市蓝箭电子有限公司 三极管在反向偏压安全工作区下的测试装置及测试方法
CN202939274U (zh) * 2012-12-13 2013-05-15 西安芯派电子科技有限公司 三极管soa曲线测试系统
CN104090223A (zh) * 2014-07-16 2014-10-08 西安芯派电子科技有限公司 场效应晶体管soa曲线的验证平台及测试方法
CN104634466A (zh) * 2013-11-14 2015-05-20 北京华峰测控技术有限公司 半导体功率器件结温仿真电路
CN108037434A (zh) * 2017-12-07 2018-05-15 湘潭大学 一种vdmos器件的安全工作区域确定方法及装置
CN108336083A (zh) * 2018-02-11 2018-07-27 北方工业大学 获取电热安全工作区的方法、装置及计算机可读存储介质

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57173766A (en) * 1981-04-17 1982-10-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Safe operation area measurement for transistor
JP2000131380A (ja) * 1998-10-21 2000-05-12 Canon Inc 半導体素子の試験装置及び試験方法
WO2004034072A1 (en) * 2002-10-11 2004-04-22 Aoti Operating Company, Inc. Semiconductor testing instrument to determine safe operating area
US20050018732A1 (en) * 2002-12-19 2005-01-27 Aaron Bond Uncooled and high temperature long reach transmitters, and high power short reach transmitters
CN101893677A (zh) * 2010-07-07 2010-11-24 佛山市蓝箭电子有限公司 三极管在反向偏压安全工作区下的测试装置及测试方法
CN202939274U (zh) * 2012-12-13 2013-05-15 西安芯派电子科技有限公司 三极管soa曲线测试系统
CN104634466A (zh) * 2013-11-14 2015-05-20 北京华峰测控技术有限公司 半导体功率器件结温仿真电路
CN104090223A (zh) * 2014-07-16 2014-10-08 西安芯派电子科技有限公司 场效应晶体管soa曲线的验证平台及测试方法
CN108037434A (zh) * 2017-12-07 2018-05-15 湘潭大学 一种vdmos器件的安全工作区域确定方法及装置
CN108336083A (zh) * 2018-02-11 2018-07-27 北方工业大学 获取电热安全工作区的方法、装置及计算机可读存储介质

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王彩琳 等: "功率MOSFET的高温特性及其安全工作区分析", 《电力电子技术》 *
许迪迪 等: "功率MOSFET器件安全工作区的研究", 《电力电子技术》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117330951A (zh) * 2023-11-16 2024-01-02 华羿微电子股份有限公司 一种mos开关器件的soa测试系统及测试方法
CN117330951B (zh) * 2023-11-16 2024-03-22 华羿微电子股份有限公司 一种mos开关器件的soa测试系统及测试方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110221190B (zh) 2021-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DK3224631T3 (en) Method for Determining Aging of Power Semiconductor Modules and Device and Circuit Device
CN106969851A (zh) 基于饱和压降测量igbt功率模块结温的在线检测装置
Hu et al. An adaptive thermal equivalent circuit model for estimating the junction temperature of IGBTs
Shi et al. Junction temperature measurement method for power MOSFETs using turn-on delay of impulse signal
CN108572306B (zh) 逆导型igbt的热阻测试电路和方法
Zhang et al. A novel method for monitoring the junction temperature of SiC MOSFET on-line based on on-state resistance
CN109633405B (zh) 一种基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置
Chen et al. Comparison of TSEP performances operating at homogeneous and inhomogeneous temperature distribution in multichip IGBT power modules
Zhang et al. Simplified multi-time scale thermal model considering thermal coupling in IGBT modules
Zheng et al. Monitoring of SiC MOSFET junction temperature with on-state voltage at high currents
CN110221190A (zh) 功率半导体器件安全工作区精确测量方法
Yang et al. Monitoring initial solder layer degradation in a multichip IGBT module via combined TSEPs
Ferreira et al. Selective soft-switching for thermal balancing in IGBT-based multichip systems
Li et al. Measurement method of the IGBT chip temperature fluctuation based on electrothermal model derivation
CN116500400B (zh) 碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统及方法
Baker An electrical method for junction temperature measurement of power semiconductor switches
Huang et al. IGBT condition monitoring drive circuit based on self-excited short-circuit current
Zhang et al. Thermal network parameters identifying during the cooling procedure of IGBT module
Yu et al. Condition Monitoring of Thermal Fatigue of IGBT Module Using Turning Point of Preheating Stage of Case Temperature
Weimer et al. Thermal impedance calibration for rapid and noninvasive calorimetric soft-switching loss characterization
Xu et al. Degradation state analysis of the IGBT module based on apparent junction temperature
Zhang et al. Investigation and modeling of the avalanche failure mechanism of 1.2-kV 4H-SiC JMOS
Liu et al. Online Junction Temperature Measurement Method of SiC MOS Devices Using Multiple Electrical Parameters at Transient Surge Current
Ma et al. Experiment-based investigation of thermal cross-coupling of chips in high-power IGBT modules
Zhang et al. Thermal resistor and capacitor parameter identification using cooling curve of IGBT module

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant