CN112684255B - 一种用于热阻矩阵测量的由fpga控制的多路智能驱动装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于热阻矩阵测量的由FPGA控制的多路智能驱动装置与方法，属于集成电路电子器件热学和电学测量领域。公开了一种可应用于多种被测器件样品情景下的开启速度快，开启时间、大小、正负可控且具有多路选通功能的新型智能驱动开关装置。本发明在FPGA内写入硬件电路控制程序，通过上位机软件进行驱动电压开启时间、大小、方向及多路选通功能的控制。本发明能实现纳秒级高速驱动控制，且电路带有隔离功能，能实现测试电路部分与本发明电气隔离，多路选通的功能实现了多个被测器件的精确驱动。适用于多路选择、高速控制、大电流下、被测样品复杂的热阻测量。

Description

一种用于热阻矩阵测量的由FPGA控制的多路智能驱动装置与方法
技术领域
本发明属于集成电路电子器件热学和电学测量领域，是一种针对热阻测量的多路、高速、智能驱动开关装置与方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，电子组件的功率密度不断提高，发热问题成了制约发展的重要因素，热阻测量在半导体功率器件可靠性研究上具有重要意义，现有的半导体功率器件中最受欢迎的半导体功率器件主要有肖特基二极管(SBD)，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。传统的电学热阻测量方法存在测量器件单一、测量通道少、驱动电压精度低的问题，当对多个不同器件及复杂芯片进行测量时，测量工序繁琐、测量效率低下、且无法对复杂芯片实现准确的开关式热阻测量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于电学法热阻测量的智能驱动开关，该装置可通过工控电脑，利用FPGA程控功能实现多路热阻测试中加热电流的开通和关断、不同被测器件驱动电压提供、以及利用热阻矩阵测量装置对被测器件进行外部加热与电压采集，同时实现对多种不同器件热阻测量功能。
为实现上述目的，本发明包含模块：工控电脑，通信与程控模块，多路硬件电路模块、热阻矩阵测量装置。
所述的上位机软件是利用C++语言实现的驱动电压大小、方向、电压开启时间、及多通道选择在电脑PC端可调的软件界面。
所述的通信与程控模块为利用Verilog语言在FPGA内部实现的具有控制驱动开通信号、计数器、时钟发生器的程序控制部分与利用FPGA内部资源构建的可实现FPGA与工控电脑通信的模块。
所述的多路硬件开关电路含有以下部分：信号输入端、电源、DAC数模转换电路、隔离电路、驱动电路。其中信号输入端连接FPGA的信号输出，由工控电脑和通信与程控模块共同控制，电源供电后，通过隔离电路实现前级与后级电路的隔离、DAC时序控制信号控制DAC数模转换电路输出电压大小及方向，再通过驱动控制信号、时钟发生器和时钟计数器共同控制驱动电压大小、方向、开启时间及通道选择。
所述的热阻矩阵测量装置由多个薄层热阻测试探针并联组成，其中单个薄层热阻测试探针已申请相关专利，通过工控电脑控制热阻矩阵测量装置对被测芯片测试点进行加热并采集电压，通过一系列算法计算得出被测芯片被测点热阻。
本发明实现的开关功能具有的优势是：首先，本发明能实现正负输出电压，能实现对不同被测器件的开关式测量，其次，本发明能对复杂被测样品利用热阻矩阵测量装置进行定点非开关式热阻测量，另外，本发明选择的是隔离驱动，在使用的过程中，噪声小，提高电学法热阻测量的准确度，安全性高。再者，本发明利用工控电脑和通信与程控模块实现了多路电路的智能控制，实现多通道选择的功能，在使用的过程中，方便、简洁，易于操作。最后，本发明实现了纳秒量级时间延迟的高速驱动控制。
附图说明
图1为本发明的系统结构图
图2为本发明驱动MOSFET器件进行热阻测量的示意图
图3为本发明驱动IGBT进行热阻测量的示意图
图4为本发明热阻矩阵测量装置仰视图
图5为单个薄层测量装置示意图
具体实施方法
本发明为一种用于热阻矩阵测量的由FPGA控制的多路智能驱动装置与方法，在进行热阻测量过程中所用到的其他配合仪器及程序在本文中仅简要提及。
S1：非开关式测量模式。在此模式下，被测芯片不加电。首先，利用夹具将被测芯片紧贴于温度可调的恒温平台上，调节好恒温平台温度后，确定被测芯片待测热阻点，使用固定装置将热阻矩阵测量装置电压采集端紧贴于待测点，待测点与热阻矩阵测量装置矩阵点一一对应并分别记录之，连接好热阻矩阵测量装置与硬件电路输出，使用工控电脑匹配所用的热阻矩阵测量装置矩阵点对应的MOS开关，使MOS开关打开，并给热阻矩阵测量装置加热源加电，加热被测芯片到所需温度后，工控电脑控制MOS开关关断。自MOS关断开始，采集热阻矩阵测量装置电压采集模块电压，得到电压采集模块V-t曲线图，因为电压采集模块电压与温度严格相关，通过V-t曲线计算得出电压采集模块温度随时间变化曲线T-t；通过算法处理曲线T-t，可以得出被测芯片测试点热阻构成。
S2：开关式测量模式。开关式测量模式，被测器件加电。控制被测器件导通，利用被测器件自生热，测量被测芯片两端电压时间变化曲线，进而算法分析得出热阻构成。首先，利用夹具将被测芯片紧贴于温度可调的恒温平台上，设置好恒温平台温度后，连接好被测器件栅源与硬件电路输出，如图2、图3所示，连接好硬件电路输出与MOS开关栅源，分别设置被测器件加热模式与测量模式下的栅压。被测器件加热模式下，通过工控电脑控制DAC电路输出驱动电压使被测芯片导通的同时，开通MOS开关，给被测器件加热；测量模式下，关断MOS开关的同时，通过工控电脑控制DAC输出测量模式下的栅压，同时采集被测器件两端的电压，得到V-t曲线，由V-t曲线计算得出被测器件温度随时间变化的曲线T-t；进而得出被测样品热阻结构。

Claims (1)

1.一种用于热阻矩阵测量的由FPGA控制的多路智能驱动装置，其特征在于，包括：工控电脑，通信与程控模块，多路硬件电路模块，热阻矩阵测量装置；其中工控电脑包含上位机软件，实现驱动电压大小、正负、开启时间调控及多路选通的功能，通信与程控模块是以FPGA为硬件基础，在FPGA内部搭建的自带通信与程序控制功能的模块，硬件电路模块包括隔离电路、数模转换电路和驱动电路，配合工控电脑及通信与程控模块实现输出电压大小、正负、开启时间调控及多路选通的功能，热阻矩阵测量装置为多路矩阵式探针，能够实现多个测试点的加热与温度测量；
工控电脑包含上位机软件，其中上位机软件界面包含3个按钮，第一个按钮负责驱动电压大小、正负的设定，第二个按钮负责驱动电压开启时间的设定，第三个按钮负责矩阵通道的选通，矩阵通道与热阻矩阵测量装置一一对应；
通信与程控模块是在FPGA内部构建的可通过工控电脑键入不同的数据参数实现电压开通时间、电压大小、方向及多路选择可控的模块；通信与程控模块由4部分组成，分别是DAC时序控制信号、驱动控制信号、计数器、时钟发生器；DAC时序控制信号控制输出电压的大小和正负，驱动控制信号控制多路选通，时钟发生器和时钟计数器联合作用，实现电压开启时间的控制；
硬件电路模块由模拟电源、信号输入端、DAC数模转换电路、隔离电路、驱动电路五部分组成；电源供电后，经过隔离电路将模拟信号和数字信号隔离开，DAC时序控制信号控制DAC数模转换电路输出所需电压，到达驱动电路，由驱动控制信号、计数器、时钟发生器共同控制选通多路电压的输出；
热阻矩阵测量装置由多个薄层热阻测试探针并联组成，在使用的过程中，利用薄层热阻测试探针加热源定点加热被测样品，实时采集薄层热阻测试探针测量源两端电压，通过测量源电压与温度的关系得出温度随时间变化曲线T-t；通过相应算法处理T-t，得出被测样品的热阻结构；
在进行热阻测量时包括如下步骤：
S1：根据被测样品的不同在工控电脑选择相应的功能，测半导体芯片待测点的热阻时，根据热阻矩阵测量装置加热源的位置在工控电脑进行相应驱动开关配置，选择开通相应通道；对MOSFET或IGBT开关式器件进行热阻测量，在工控电脑中根据被测器件要求驱动电压的不同，进行DAC输出电压的配置，根据FPGA时钟频率配置相应被测器件电压开启时间，选择开通相应被测器件通道；
S2:工控电脑发出命令后，通信与程控模块使用计数器对时钟进行计数，达到工控电脑设定值后，FPGA驱动控制信号复位，驱动电路输出电压回归初始状态。
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