一种在线监测结温的方法及电路
技术领域
本发明涉及Mosfet的HTRB试验技术领域,尤其涉及一种在Mosfet的HTRB试验过程中在线监测结温的方法及电路。
背景技术
高温反偏(HTRB)试验是对Mosfet芯片寿命的考核,高温反偏试验主要关注与生产相关的离子污染物在温度和场作用下的迁移作用,这种迁移作用会增加表面电荷、增大漏电流以及产生阈值电压退化;Mosfet组装过程和组装材料热膨胀系数(CTEs)的差异对钝化层完整性产生重大影响,使器件容易受到外部污染物污染,引起漏电流增加。
HTRB试验原理如图1所示,图中,Mosfet为被测样品,放置在高温环境下,施加0V或者负栅极偏压,使样品保持阻断状态,恒压源提供≥0.8VDSmax的偏压,试验过程中,通过采样电阻实时监测样品漏电流,试验详细描述参考IEC 60747-8。
HTRB是定向性试验,关注芯片和芯片附近位置的失效,要求芯片达到最高结温,但外壳温度可以低于最高结温。
器件在高温下,漏电流会增加,导致器件发热,从而使芯片结温升高,如果试验环境温度设置不当,可能会使器件在HTRB试验中结温超过最高结温,产生非指定失效机理的失效,影响试验的准确性。如何准确测量HTRB试验过程中芯片结温,确认芯片在合理结温下进行老化,是HTRB试验的技术难点。
现有技术给出的解决方案是根据测量样品两端的压降及漏电流计算样品功率,代入下式中计算芯片结温:
式中,
Rja为稳态结环热阻,为已知量;
Rjc为稳态结壳热阻;
Ta为环境温度;
Tc为壳温;
P为实时功率。
现有技术至少存在以下不足:
1.HTRB通常是在高温箱中进行,控温方式为风冷,散热环境与标准热阻测试条件差异较大,因此,公式中代入标准测试条件下的结壳或结环热阻计算芯片结温,会引入较大误差。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题,本发明提供了一种在线监测结温的方法及电路,包括高压偏置阻断电路和监测回路;监测回路的两端分别与待测的Mosfet的集电极和发射极分别连接;高压偏置阻断电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;通过第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的闭合或断开,控制高压偏置阻断电路和监测回路分别导通;高压偏置阻断电路导通时,将HTRB试验施加的高压偏置钳位在低压范畴,并切断待测Mosfet上的高压偏置;切断待测Mosfet上的高压偏置后在百微秒以内导通监测回路,引入测试电流,进行结温监测;监测回路包括第一Mosfet、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、稳压二极管、第一电阻、第二电阻和第一电容,第一肖特基二极管和第二肖特基二极管并联后,与稳压二极管和第二电阻并联后的电路串联,串联后的电路的一端C点接地,另一端D点与第一Mosfet的发射极连接,D点和C点分别连接示波器的差分探头;第一Mosfet的集电极与第三肖特基二极管连接;第一电容的一端与第一Mosfet的栅极连接,第一电容的另一端接地;第一Mosfet的栅极还与第二电阻串联后连接恒压源。本发明提供的在线监测结温的电路,填补了市场上HTRB试验中结温在线测试技术的空白;能够指导操作人员根据实测结温,调整试验环境温度,确保样品非过应力(超最大结温)条件下进行试验,引发额外失效机理,导致试验失败;通过在线实测电参数推算结温,保证了结温提取的准确性;通过快速继电器,结合测试保护电路,实现在HTRB试验中快速切断样品上的高压偏置后,再引入测试电流源,通过合理的器件选型,可以实现在高压偏置切除1ms内,安全监测样品结温,确保测试结温的时效性。本发明采用高压偏置阻断电路将器件的高压偏置隔离掉,只探测测试电流流过器件时的数百毫伏压降,确保了结温提取的准确性。
本发明提供了一种在线监测结温的电路,包括高压偏置阻断电路和监测回路;所述监测回路的两端分别与待测的Mosfet的集电极和发射极分别连接;所述高压偏置阻断电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;通过第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的闭合或断开,控制高压偏置阻断电路和监测回路分别导通;
高压偏置阻断电路导通时,将HTRB试验施加的高压偏置钳位在低压范畴,并切断待测Mosfet上的高压偏置;切断待测Mosfet上的高压偏置后在百微秒以内导通监测回路,引入测试电流,进行结温监测;
所述监测回路包括第一Mosfet、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、稳压二极管、第一电阻、第二电阻和第一电容,第一肖特基二极管和第二肖特基二极管并联后,与稳压二极管和第二电阻并联后的电路串联,串联后的电路的一端C点接地,另一端D点与第一Mosfet的发射极连接,D点和C点分别连接示波器的差分探头;第一Mosfet的集电极与第三肖特基二极管连接;第一电容的一端与第一Mosfet的栅极连接,第一电容的另一端接地;第一Mosfet的栅极还与第二电阻串联后连接恒压源。
优选地,待测的Mosfet的集电极与第一开关连接,待测的Mosfet的发射极与第二开关连接;在第一开关与待测的Mosfet的集电极之间还连接第三开关,在第二开关与待测的Mosfet的发射极之间还连接第四开关;当第一开关和第二开关均闭合且第三开关和第四开关均断开时,高压偏置阻断电路导通,监测回路断开;当第一开关和第二开关均断开且第三开关和第四开关均闭合时,监测回路导通,高压偏置阻断电路断开。
优选地,待测的Mosfet的集电极还与第一开关的第一端连接,第一开关的第二端与第一恒流源连接,待测的Mosfet的发射极还与第二开关的第一端连接;在第一开关的第一端与待测的Mosfet的集电极之间还连接第三开关的第一端,在第二开关的第一端与待测的Mosfet的发射极之间还连接第四开关的第一端,第三开关的第二端与第四开关的第二端之间设置第二恒流源。
优选地,在第二开关与待测的Mosfet之间还设置采样电阻。
优选地,第一开关的第二端与第一恒流源的正极连接,第二开关的第二端和第一恒流源的负极均接地。
优选地,第三开关的第二端和第二恒流源负极均接地。
优选地,在待测的Mosfet上施加0V或负偏置栅极电压。
优选地,在所述监测回路中采用示波器进行测量。
优选地,稳压二极管的击穿电压小于8V。
本发明提供了一种在线监测结温的方法,采用上述的任一在线监测结温的电路,包括如下步骤:
步骤1,断开第三开关和第四开关,闭合第一开关和第二开关,使待测的Mosfet样品在高压偏置状态,第一Mosfet的栅极电压被限制在阈值电压,稳压二极管被击穿,监测到的D点电压为稳压二极管的击穿电压;
步骤2,断开第一开关和第二开关,闭合第三开关和第四开关,进入待测的Mosfet样品的结温测试阶段,第三肖特基二极管反向阻断,第一Mosfet开通,监测到的D点电压为待测的Mosfet样品在测试电流下的压降,根据这个压降值,换算出芯片结温。
优选地,将D点电压引入电压跟随电路,电压跟随电路输出至光耦隔离电路,光耦隔离电路输出作为比较器输入,比较器输出接控制器。
步骤2的信号走向如下:当控制器接受到结温测试指令时,首先发出控制信号,经过光耦隔离电路进行电气隔离,控制继电器K1断开,此时样品Mosfet输出电容中的电压经过监测回路放电,当D点电压下降至<0.5V时,比较器输出反转,输入至控制器中,控制器发出控制信号,经过光耦隔离电路进行电气隔离,控制继电器K2吸合,使回路切换至结温测试回路,进入结温测试阶段。
本发明基于电学法推导芯片结温,以Mosfet的体二极管在小电流下的正向压降作为温度敏感参数,标定出正向电压与结温的等效关系。
本发明与现有技术相比,至少具有如下有益效果:
1.本发明提供的在线监测结温的电路,填补了市场上HTRB试验中结温在线测试技术的空白;
2.本发明能够指导操作人员根据实测结温,调整试验环境温度,确保样品非过应力(超最大结温)条件下进行试验,解决了HTRB试验中结温监测的缺陷,避免由于试验中结温过大,引发额外失效机理,导致试验失败;
3.本发明通过在线实测电参数推算结温,解决了现有技术通过壳温或环温推导结温误差大的问题,保证了结温提取的准确性;
4.本发明通过快速继电器,结合监测回路,实现在HTRB试验中快速切断样品上的高压偏置后,再引入测试电流源,通过合理的器件选型,本发明可以实现在高压偏置切除1ms内,安全监测样品结温,确保测试结温的时效性;
5.本发明采用高压偏置阻断电路将器件的高压偏置隔离掉,只探测测试电流流过器件时的数百毫伏压降,确保了结温提取的准确性。
附图说明
图1为HTRB实验电路原理图;
图2为本发明的一个实施例的在线监测结温的电路中高压偏置阻断电路导通时的开关状态示意图;
图3为本发明的一个实施例的在线监测结温的电路中监测回路导通时的开关状态示意图;
图4为本发明的一个实施例的监测回路电路示意图;
图5为本发明的一个实施例的在线监测结温的电路中在高压偏置阶段和结温测试阶段D点电压的变化示意图,其中,K1包括第一开关K1-1和第二开关K1-2,K2包括第三开关K2-1和第四开关K2-2;
图中,K1-1、第一开关;K1-2、第二开关;K2-1、第三开关;K2-2、第四开关,K1-1和K1-2为簧式继电器或高频继电器K1的开关,K2-1和K2-2为簧式继电器或高频继电器K2的开关。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式作详细的说明。
本发明提供了一种在线监测结温的电路,包括高压偏置阻断电路和监测回路;所述监测回路的两端分别与待测的Mosfet的集电极和发射极分别连接;所述监测回路与待测的Mosfet的集电极的连接点为A点,所述高压偏置阻断电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;通过第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的闭合或断开,控制高压偏置阻断电路和监测回路分别导通;
高压偏置阻断电路导通时,将HTRB试验施加的高压偏置钳位在低压范畴,并切断待测Mosfet上的高压偏置;切断待测的Mosfet上的高压偏置后在百微秒以内导通监测回路,引入测试电流,进行结温监测;
所述监测回路包括第一Mosfet、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、稳压二极管、第一电阻、第二电阻和第一电容,第一肖特基二极管和第二肖特基二极管并联后,与稳压二极管和第二电阻并联后的电路串联,串联后的电路的一端C点接地,另一端D点与第一Mosfet的发射极连接,D点为电压监测点,D点和C点分别连接示波器的差分探头;第一Mosfet的集电极与第三肖特基二极管连接;第一电容的一端与第一Mosfet的栅极连接,第一电容的另一端接地;第一Mosfet的栅极还与第二电阻串联后连接恒压源。HTRB试验通常在高温箱中进行,测试回路及恒流供电模块都需要放置在温箱外,根据Mosfet内体二极管的温度特性,几十毫伏的压降会引入10℃以上的芯片结温偏差,因此,为了精确测量Mosfet内体二极管的压降,Mosfet内体二极管压降采样四线法测量,测试回路的两个测量端子A点、C点尽可能接近待测的Mosfet样品的集电极-发射极。
试验中样品阻断状态下,偏置电压高达数百伏甚至上千伏,而体二极管在测试电流下正向压降为数百毫伏,在数百伏的电压范围下测量低压,其精度非常的低,本方面提出一种方法将器件的高压偏置隔离掉,只探测测试电流流过器件时的数百毫伏压降,确保了结温提取的准确性。
第一开关K1-1和第二开关K1-2为簧式继电器或高频继电器K1的开关,第三开关K2-1和第四开关K2-2为簧式继电器或高频继电器K2的开关,簧式继电器或高频继电器具有百微秒以内的动作时间,满足本发明快速切换的要求。
根据本发明的一个具体实施方案,待测的Mosfet的集电极与第一开关连接,待测的Mosfet的发射极与第二开关连接;在第一开关与待测的Mosfet的集电极之间还连接第三开关,在第二开关与待测的Mosfet的发射极之间还连接第四开关,第四开关与待测的Mosfet的发射极的连接点为B点;当第一开关和第二开关均闭合且第三开关和第四开关均断开时,高压偏置阻断电路导通,监测回路断开;当第一开关和第二开关均断开且第三开关和第四开关均闭合时,监测回路导通,高压偏置阻断电路断开。
根据本发明的一个具体实施方案,待测的Mosfet的集电极还与第一开关的第一端连接,第一开关的第二端与第一恒流源连接,待测的Mosfet的发射极还与第二开关的第一端连接;在第一开关的第一端与待测的Mosfet的集电极之间还连接第三开关的第一端,在第二开关的第一端与待测的Mosfet的发射极之间还连接第四开关的第一端,第三开关的第二端与第四开关的第二端之间设置第二恒流源。
根据本发明的一个具体实施方案,在第二开关与待测的Mosfet之间还设置采样电阻。
根据本发明的一个具体实施方案,第一开关的第二端与第一恒流源的正极连接,第二开关的第二端和第一恒流源的负极均接地。
根据本发明的一个具体实施方案,第三开关的第二端和第二恒流源负极均接地。
根据本发明的一个具体实施方案,在待测的Mosfet上施加0V或负偏置栅极电压。
根据本发明的一个具体实施方案,在所述监测回路中采用示波器进行测量。
根据本发明的一个具体实施方案,稳压二极管的击穿电压小于8V。
本发明提供了一种在线监测结温的方法,采用上述的任一在线监测结温的电路,包括如下步骤:
步骤1,断开第三开关和第四开关,闭合第一开关和第二开关,使待测的Mosfet样品在高压偏置状态,第一Mosfet的栅极电压被限制在阈值电压,第一Mosfet分摊大部分的偏置高压,稳压二极管被击穿,监测到的D点电压为稳压二极管的击穿电压;
步骤2,断开第一开关和第二开关,闭合第三开关和第四开关,进入待测的Mosfet样品的结温测试阶段,测试电流从B点注入待测的Mosfet样品,由于D4反向阻断,测试电流不会从测试保护回路流过,第三肖特基二极管反向阻断,第一Mosfet开通,监测到的D点电压为待测的Mosfet样品在测试电流下的压降,根据这个压降值,换算出芯片结温。
根据本发明的一个具体实施方案,将D点电压引入电压跟随电路,电压跟随电路输出至光耦隔离电路,光耦隔离电路输出作为比较器输入,比较器输出接控制器。该方式实现了保证样品上的高压偏置去除后,再引入测试电流,D点电压也用来确认继电器K1及K2的通断时序。
步骤2的信号走向如下:当控制器接受到结温测试指令时,首先发出控制信号,经过光耦隔离电路进行电气隔离,控制继电器K1断开,此时样品Mosfet输出电容中的电压经过监测回路放电,当D点电压下降至<0.5V时,比较器输出反转,输入至控制器中,控制器发出控制信号,经过光耦隔离电路进行电气隔离,控制继电器K2吸合,使回路切换至结温测试回路,进入结温测试阶段。
实施例1
根据本发明的一个具体实施方案,对本发明的在线监测结温的电路进行详细说明。
本发明提供了一种在线监测结温的电路,包括高压偏置阻断电路和监测回路;所述监测回路的两端分别与待测的Mosfet的集电极和发射极分别连接;所述监测回路与待测的Mosfet的集电极的连接点为A点,所述高压偏置阻断电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;通过第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的闭合或断开,控制高压偏置阻断电路和监测回路分别导通;
高压偏置阻断电路导通时,将HTRB试验施加的高压偏置钳位在低压范畴,并切断待测Mosfet上的高压偏置;切断待测的Mosfet上的高压偏置后在百微秒以内导通监测回路,引入测试电流,进行结温监测;
所述监测回路包括第一Mosfet、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、稳压二极管、第一电阻、第二电阻和第一电容,第一肖特基二极管和第二肖特基二极管并联后,与稳压二极管和第二电阻并联后的电路串联,串联后的电路的一端C点接地,另一端D点与第一Mosfet的发射极连接,D点为电压监测点,D点和C点分别连接示波器的差分探头;第一Mosfet的集电极与第三肖特基二极管连接;第一电容的一端与第一Mosfet的栅极连接,第一电容的另一端接地;第一Mosfet的栅极还与第二电阻串联后连接恒压源。
实施例2
根据本发明的一个具体实施方案,对本发明的在线监测结温的电路进行详细说明。
本发明提供了一种在线监测结温的电路,包括高压偏置阻断电路和监测回路;所述监测回路的两端分别与待测的Mosfet的集电极和发射极分别连接;所述监测回路与待测的Mosfet的集电极的连接点为A点,所述高压偏置阻断电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;通过第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的闭合或断开,控制高压偏置阻断电路和监测回路分别导通;
高压偏置阻断电路导通时,将HTRB试验施加的高压偏置钳位在低压范畴,并切断待测Mosfet上的高压偏置;切断待测的Mosfet上的高压偏置后在百微秒以内导通监测回路,引入测试电流,进行结温监测;
所述监测回路包括第一Mosfet、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、稳压二极管、第一电阻、第二电阻和第一电容,第一肖特基二极管和第二肖特基二极管并联后,与稳压二极管和第二电阻并联后的电路串联,串联后的电路的一端C点接地,另一端D点与第一Mosfet的发射极连接,D点为电压监测点,D点和C点分别连接示波器的差分探头;第一Mosfet的集电极与第三肖特基二极管连接;第一电容的一端与第一Mosfet的栅极连接,第一电容的另一端接地;第一Mosfet的栅极还与第二电阻串联后连接恒压源。
待测的Mosfet的集电极与第一开关连接,待测的Mosfet的发射极与第二开关连接;在第一开关与待测的Mosfet的集电极之间还连接第三开关,在第二开关与待测的Mosfet的发射极之间还连接第四开关;当第一开关和第二开关均闭合且第三开关和第四开关均断开时,高压偏置阻断电路导通,监测回路断开;当第一开关和第二开关均断开且第三开关和第四开关均闭合时,监测回路导通,高压偏置阻断电路断开。
待测的Mosfet的集电极还与第一开关的第一端连接,第一开关的第二端与第一恒流源连接,待测的Mosfet的发射极还与第二开关的第一端连接;在第一开关的第一端与待测的Mosfet的集电极之间还连接第三开关的第一端,在第二开关的第一端与待测的Mosfet的发射极之间还连接第四开关的第一端,第三开关的第二端与第四开关的第二端之间设置第二恒流源。
在第二开关与待测的Mosfet之间还设置采样电阻。
第一开关的第二端与第一恒流源的正极连接,第二开关的第二端和第一恒流源的负极均接地。
第三开关的第二端和第二恒流源负极均接地。
在待测的Mosfet上施加0V或负偏置栅极电压。
在所述监测回路中采用示波器进行测量。
稳压二极管的击穿电压小于8V。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围之内。