CN112526425B - 一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于半导体技术领域，提供了一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法及装置，该方法包括：控制热阻标准件处于预设温度下，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件的校温曲线；向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压；基于校温曲线以及第二结电压，确定热阻标准件在预设工作电流下的结温，并根据结温确定热阻标准件的标准热阻值；根据标准热阻值对热阻测量仪器进行校准。本发明利用已标定准确热阻值的热阻标准件对热阻测量仪器进行校准，能够解决现有技术中的热阻测量仪器测量结果准确度低、一致性差的问题。

Description

一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法及装置

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法及装置。

背景技术

热阻参数是表征半导体器件散热性能的重要参数，直接关系半导体器件的寿命及可靠性，随着半导体器件向着小型化、大功率、高集成方向发展，准确测试热阻参数的重要性不断提升。

目前，市面上的热阻测量仪器大多基于电学法测量原理，通过小电流K系数法测量半导体器件的结温，进而计算得到半导体器件的热阻。然而，该方法由于在测温过程存在工作电流与测试电流间的切换，致使半导体器件的结电压在电流切换瞬间出现尖峰，最终导致热阻测量仪器测量结果的准确度降低。虽然仪器厂商针对各自的热阻测量仪器也提出过一些修正方法，但这些修正方法一方面在部分半导体器件上的应用效果受限，另一方面由于不同厂商采用的修正方法不同，导致不同热阻测量仪器的测量结果一致性差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法及装置，以解决现有技术中的热阻测量仪器测量结果准确度低、一致性差的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法，包括：

控制热阻标准件处于预设温度下，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件的校温曲线；

向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压；

基于校温曲线以及第二结电压，确定热阻标准件在预设工作电流下的结温，并根据结温确定热阻标准件的标准热阻值；

根据标准热阻值对热阻测量仪器进行校准。

可选的，预设测试电流为脉冲电流，预设工作电流为直流电流。

可选的，预设测试电流的电流峰值与预设工作电流的电流值相同。

可选的，根据结温确定热阻标准件的标准热阻值，包括：

式中，R_θjx为标准热阻值，T_j为结温，T_x为热阻标准件的壳温，P_H为导致热阻标准件结温升高所耗散的功率。

可选的，根据标准热阻值对热阻测量仪器进行校准，包括：

使用热阻测量仪器测量热阻标准件的热阻；

计算热阻与标准热阻值的差值，根据差值对热阻测量仪器进行校准。

可选的，热阻标准件包括两组管脚，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，包括：

向热阻标准件的其中一组管脚输入预设测试电流，通过热阻标准件的另一组管脚测量热阻标准件的第一结电压；

向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压，包括：

向热阻标准件的其中一组管脚输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，通过热阻标准件的另一组管脚测量热阻标准件的第二结电压。

可选的，热阻标准件的二极管芯片为碳化硅材质的肖特基二极管芯片。

本发明实施例的第二方面提供了一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置，包括：

校温模块，用于控制热阻标准件处于预设温度下，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件的校温曲线；

测温模块，用于向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压；

标准热阻值计算模块，用于基于校温曲线以及第二结电压，确定热阻标准件在预设工作电流下的结温，并根据结温确定热阻标准件的标准热阻值；

校准模块，用于根据标准热阻值对热阻测量仪器进行校准。

可选的，预设测试电流为脉冲电流，预设工作电流为直流电流。

可选的，预设测试电流的电流峰值与预设工作电流的电流值相同。

可选的，根据结温确定热阻标准件的标准热阻值，包括：

式中，R_θjx为标准热阻值，T_j为结温，T_x为热阻标准件的壳温，P_H为导致热阻标准件结温升高所耗散的功率。

可选的，校准模块还用于，

使用热阻测量仪器测量热阻标准件的热阻；

计算热阻与标准热阻值的差值，根据差值对热阻测量仪器进行校准。

可选的，热阻标准件包括两组管脚，

校温模块还用于，向热阻标准件的其中一组管脚输入预设测试电流，通过热阻标准件的另一组管脚测量热阻标准件的第一结电压；

测温模块还用于，向热阻标准件的其中一组管脚输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，通过热阻标准件的另一组管脚测量热阻标准件的第二结电压。

可选的，热阻标准件的二极管芯片为碳化硅材质的肖特基二极管芯片。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明通过控制热阻标准件处于预设温度下，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件的校温曲线；向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压；基于校温曲线以及第二结电压，确定热阻标准件在预设工作电流下的结温，并根据结温确定热阻标准件的标准热阻值；根据标准热阻值对热阻测量仪器进行校准。本发明在向热阻标准件输入预设工作电流、待热阻标准件的结温稳定后，直接以预设工作电流作为测试电流测量热阻标准件的第二结电压，能够避免避免测量过程中由工作电流切换至测试电流时引起的结电压尖峰现象，进而准确测得热阻标准件的热阻值；利用已标定准确热阻值的热阻标准件对热阻测量仪器进行校准，能够解决现有技术中的热阻测量仪器测量结果准确度低、一致性差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例提供的热阻标准件的校温曲线示意图；

图3是本发明实施例提供的半导体器件的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的热阻标准件的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的校温模块的具体示例图；

图7是本发明实施例提供的测温模块的具体示例图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例的第一方面提供了一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法，参照图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S101、控制热阻标准件处于预设温度下，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件的校温曲线。

在本发明实施例中，首先控制热阻标准件处于预设温度下，然后向热阻标准件中输入预设测试电流来测量热阻标准件的第一结电压，通过改变预设温度进行多次试验，最终得到热阻标准件的校温曲线。热阻标准件的校温曲线如图2所示，图中，V_tsp为热阻标准件的结电压，T_j为热阻标准件的结温，由图2可以看出，热阻标准件的结电压变化量ΔV_tsp与热阻标准件的结温ΔT_j呈倍数关系，即ΔV_tsp＝KΔT_j，K为校温系数。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法的一个具体实施方式，预设测试电流为脉冲电流，预设工作电流为直流电流。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法的一个具体实施方式，预设测试电流的电流峰值与预设工作电流的电流值相同。

在本发明实施例中，通过将预设测试电流设置为脉冲电流，令脉冲电流的脉宽小于预设脉宽，在脉冲电流的脉宽足够窄的情况下，可以防止热阻标准件产生自热影响第一结电压的测量精度。并且，通过将预设测试电流的电流峰值设置为与预设工作电流的电流值相同，可以保证标准热阻值计算结果的准确性。

步骤S102、向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压。

传统的小电流K系数法在测量半导体器件的结电压时，由于测试电流的电流值远远小于工作电流，在利用工作电流对半导体器件进行加热后，切换为测试电流的瞬间，半导体器件的结电压会由于快速放电出现瞬间尖峰，导致结电压的测量结果不准确。

在本发明实施例中，向热阻标准件中输入预设工作电流进行加热，待热阻标准件的结温稳定后，直接以预设工作电流作为测试电流，测量热阻标准件的第二结电压，可以避免切换电流，提高结电压的测量精度。

步骤S103，基于校温曲线以及第二结电压，确定热阻标准件在预设工作电流下的结温，并根据结温确定热阻标准件的标准热阻值。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法的一个具体实施方式，根据结温确定热阻标准件的标准热阻值，包括：

式中，R_θjx为标准热阻值，T_j为结温，T_x为热阻标准件的壳温，P_H为导致热阻标准件结温升高所耗散的功率。

在本发明实施例中，壳温T_x为热阻标准件的结温稳定时的壳温，作为热阻标准件的参考位置温度，在实际应用中，也可以选择热阻标准件的其它位置作为参考位置，本发明对此不作设定。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法的一个具体实施方式，根据标准热阻值对热阻测量仪器进行校准，包括：

使用热阻测量仪器测量热阻标准件的热阻；

计算热阻与标准热阻值的差值，根据差值对热阻测量仪器进行校准。

在本发明实施例中，在使用待校准的热阻测量仪器测量热阻标准件的热阻之后，可以根据其热阻测量值与标准热阻值的差值对热阻测量仪器进行校准，也可以采用其它方式进行校准，本发明对此不作限定。如采用热阻测量值与标准热阻值的差值对热阻测量仪器进行校准，可以对热阻测量仪器进行调节，也可以将热阻测量仪器每次的测量结果加上该差值作为热阻准确值。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法的一个具体实施方式，热阻标准件包括两组管脚，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，包括：

向热阻标准件的其中一组管脚输入预设测试电流，通过热阻标准件的另一组管脚测量热阻标准件的第一结电压；

向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压，包括：

向热阻标准件的其中一组管脚输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，通过热阻标准件的另一组管脚测量热阻标准件的第二结电压。

通常情况下，从半导体器件外部的管脚测量得到的结电压除了包含二极管芯片的结电压外，还包含半导体器件内部的部分管脚电阻、引线电阻和接触电阻等产生的干扰电压，在测试电流很小的情况下，干扰电压可以忽略不计，但是在本发明实施例中，由于测试电流较大，干扰电压会对测量结果造成较大影响。如图3所示，将半导体器件30内部的部分管脚电阻、引线电阻和接触电阻等效为R32、R33，从半导体器件30外部的管脚32、33测量得到的结电压(V_tsp)除了包含二极管芯片31的结电压之外，还包含R32、R33的电压。

为了消除干扰电压对测量结果的影响，本发明设计了具有两组管脚的热阻标准件，如图4所示。图中，热阻标准件40的二极管芯片41上连接有两组管脚，其中一组管脚42、43用于输入电流，另外一组管脚44、45用于测量结电压(R42-R45均为等效电阻)，通过将加电回路和测量回路进行分离，避免了热阻标准件40内部干扰电压对结电压测量结果造成的影响。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法的一个具体实施方式，热阻标准件40的二极管芯片41为碳化硅材质的肖特基二极管芯片。

在本发明实施例中，选用肖特基二极管芯片制作的热阻标准件，电路结构简单，电学稳定好，并且由于肖特基结构的开关速度快，更适合脉冲电流的测量。而碳化硅属于宽禁带材料，能够提高热阻标准件的耐热性及热稳定性。需要指出的是，在实际应用中，在不考虑肖特基二极管芯片以上优点的情况下，也可以使用MOSFET、IGBT或者其它PN结结构的器件芯片实现本发明的技术方案，本发明在此不作限定。

另外，由于每个热阻标准件只能具有一个标准热阻值，为了覆盖热阻参数的校准范围，本发明实施例设计并制作了一系列具有不同标准热阻值的热阻标准件，具体的，可以通过调节二极管芯片的尺寸等方法来实现标准热阻值的改变，本发明对此不作限定。

本发明实施例的第二方面提供了一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置，参照图5所示，基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置50包括：

校温模块51，用于控制热阻标准件处于预设温度下，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件的校温曲线。

测温模块52，用于向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压。

标准热阻值计算模块53，用于基于校温曲线以及第二结电压，确定热阻标准件在预设工作电流下的结温，并根据结温确定热阻标准件的标准热阻值。

校准模块54，用于根据标准热阻值对热阻测量仪器进行校准。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置的一个具体实施方式，预设测试电流为脉冲电流，预设工作电流为直流电流。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置的一个具体实施方式，预设测试电流的电流峰值与预设工作电流的电流值相同。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置的一个具体实施方式，根据结温确定热阻标准件的标准热阻值，包括：

式中，R_θjx为标准热阻值，T_j为结温，T_x为热阻标准件的壳温，P_H为导致热阻标准件结温升高所耗散的功率。

可选的，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置的一个具体实施方式，校准模块54还用于，

使用热阻测量仪器测量热阻标准件的热阻；

计算热阻与标准热阻值的差值，根据差值对热阻测量仪器进行校准。

可选的，参照图4所示，作为本发明实施例提供的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置的一个具体实施方式，热阻标准件40包括两组管脚，

校温模块51还用于，向热阻标准件40的其中一组管脚预设测试电流，通过热阻标准件40的另一组管脚测量热阻标准件40的第一结电压；

测温模块52还用于，向热阻标准件40的其中一组管脚输入预设工作电流，待热阻标准件40的结温稳定后，通过热阻标准件40的另一组管脚测量热阻标准件40的第二结电压。

可选的，热阻标准件40的二极管芯片41为碳化硅材质的肖特基二极管芯片。

具体的，参照图6所示，在本发明实施例中，校温模块51的功能可以由控温平台511和脉冲源测单元512来实现。控温平台511用于控制热阻标准件40处于预设温度下，脉冲源测单元512用于向热阻标准件40输出窄脉宽的预设测试电流，同时测量热阻标准件40的第一结电压，并得到校温曲线。脉冲源测单元512可以是半导体测试仪，脉冲源测单元512可以连接热阻标准件40的其中一组管脚42、43形成加电回路，向热阻标准件40中输入预设测试电流，同时，脉冲源测单元512还可以连接热阻标准件40的另一组管脚44、45形成测试回路，测量热阻标准件40的第一结电压。

参照图7所示，在本发明实施例中，测温模块52的功能可以由直流电流源521和直流电压表522来实现。直流电流源521可以连接热阻标准件40的其中一组管脚42、43形成加电回路，向热阻标准件40中输入预设工作电流，直流电压表522可以连接热阻标准件40的另一组管脚44、45形成测试回路，待热阻标准件40的结温稳定后测量热阻标准件40的第二结电压。

由以上内容可知，本发明通过控制热阻标准件处于预设温度下，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件的校温曲线；向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压；基于校温曲线以及第二结电压，确定热阻标准件在预设工作电流下的结温，并根据结温确定热阻标准件的标准热阻值，能够准确得到热阻标准件的热阻值，进而利用已标定准确热阻值的热阻标准件对热阻测量仪器进行校准，能够解决现有技术中的热阻参数测量仪器测量结果准确度低、一致性差的问题。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法，其特征在于，包括：

控制热阻标准件处于预设温度下，向所述热阻标准件输入预设测试电流，并测量所述热阻标准件的第一结电压，根据所述预设温度和所述第一结电压确定所述热阻标准件的校温曲线；

向所述热阻标准件输入预设工作电流，待所述热阻标准件的结温稳定后，测量所述热阻标准件的第二结电压；

基于所述校温曲线以及所述第二结电压，确定所述热阻标准件在所述预设工作电流下的结温，并根据所述结温确定所述热阻标准件的标准热阻值；

根据所述标准热阻值对热阻测量仪器进行校准；

所述热阻标准件包括两组管脚；

所述向所述热阻标准件输入预设测试电流，并测量所述热阻标准件的第一结电压，包括：

向所述热阻标准件的其中一组管脚输入预设测试电流，通过所述热阻标准件的另一组管脚测量所述热阻标准件的第一结电压；

所述向所述热阻标准件输入预设工作电流，待所述热阻标准件的结温稳定后，测量所述热阻标准件的第二结电压，包括：

向所述热阻标准件的其中一组管脚输入预设工作电流，待所述热阻标准件的结温稳定后，通过所述热阻标准件的另一组管脚测量所述热阻标准件的第二结电压；

其中，所述预设测试电流为脉冲电流，所述预设工作电流为直流电流，所述预设测试电流的电流峰值与所述预设工作电流的电流值相同。

2.如权利要求1所述的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法，其特征在于，所述根据所述结温确定所述热阻标准件的标准热阻值，包括：

式中，R_θjx为标准热阻值，T_j为结温，T_x为热阻标准件的壳温，P_H为导致热阻标准件结温升高所耗散的功率。

3.如权利要求1所述的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法，其特征在于，所述根据所述标准热阻值对热阻测量仪器进行校准，包括：

使用热阻测量仪器测量所述热阻标准件的热阻；

计算所述热阻与所述标准热阻值的差值，根据所述差值对所述热阻测量仪器进行校准。

4.如权利要求1所述的基于热阻标准件的热阻测量仪器校准方法，其特征在于，所述热阻标准件的二极管芯片为碳化硅材质的肖特基二极管芯片。

5.一种基于热阻标准件的热阻测量仪器校准装置，其特征在于，包括：

校温模块，用于控制热阻标准件处于预设温度下，向所述热阻标准件输入预设测试电流，并测量所述热阻标准件的第一结电压，根据所述预设温度和所述第一结电压确定所述热阻标准件的校温曲线；

测温模块，用于向所述热阻标准件输入预设工作电流，待所述热阻标准件的结温稳定后，测量所述热阻标准件的第二结电压；

标准热阻值计算模块，用于基于所述校温曲线以及所述第二结电压，确定所述热阻标准件在所述预设工作电流下的结温，并根据所述结温确定所述热阻标准件的标准热阻值；

校准模块，用于根据所述标准热阻值对热阻测量仪器进行校准；

所述热阻标准件包括两组管脚；

所述向所述热阻标准件输入预设测试电流，并测量所述热阻标准件的第一结电压，包括：

向所述热阻标准件的其中一组管脚输入预设测试电流，通过所述热阻标准件的另一组管脚测量所述热阻标准件的第一结电压；

所述向所述热阻标准件输入预设工作电流，待所述热阻标准件的结温稳定后，测量所述热阻标准件的第二结电压，包括：

向所述热阻标准件的其中一组管脚输入预设工作电流，待所述热阻标准件的结温稳定后，通过所述热阻标准件的另一组管脚测量所述热阻标准件的第二结电压；

其中，所述预设测试电流为脉冲电流，所述预设工作电流为直流电流，所述预设测试电流的电流峰值与所述预设工作电流的电流值相同。

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