CN1743864A - 半导体pn结二极管器件的温升测量方法及装置 - Google Patents

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CN1743864A CN 200510112676 CN200510112676A CN1743864A CN 1743864 A CN1743864 A CN 1743864A CN 200510112676 CN200510112676 CN 200510112676 CN 200510112676 A CN200510112676 A CN 200510112676A CN 1743864 A CN1743864 A CN 1743864A
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Abstract

本发明属半导体器件测量领域。目前温升和热阻测量操作复杂，周期长，有的有破坏性。本发明装置：被测器件(401)放在恒温平台(403)上；计算机(100)通过接口(200)接采集器(205)；(205)分三路：一路接三路开关(303)，接到被测器件(401)；二路接采样电阻(501)后接三路开关(303)，再接测试电流源(201)；(201)的一端接接口(200)，一端接电流开关(301)；三路接采样电阻(502)后接三路开关(303)，再接工作电流源(202)；(202)的一端接接口(200)，一端接电流控制开关(301)；(301)输入两端接测试电流源(201)和工作电流源(202)；输出端接参考负载(402)和被测器件(401)，控制端接时序发生器(203)；采集器(204)一端接接口(200)，一端接到高速截取放大器(302)；高速截取放大器(302)接器件(401)。本发明非破坏性，可测瞬态加热响应曲线，从而分辨出器件热阻构成。

Description

半导体PN结二极管器件的温升测量方法及装置
技术领域：
该技术属于微电子技术中，半导体器件测量技术领域。该发明主要应用于半导体PN结器件(半导体发光管、半导体激光器和其它半导体二极管器件)的工作温升的测量。
背景技术：
半导体器件，特别是功率半导体器件工作时，会产生大量的热，致使半导体PN结处的温度升高。这将加速半导体器件的性能恶化。如工作寿命变短和器件的性能变差。影响半导体器件温升的因素一方面与器件工作时产生的热量有关；对于基于PN结发光器件还与其发光效率有关。施加电功率一定，发光效率越大，用于产生热量的功率就越少；另一因素则与从PN结处到周围环境散热的路程中，各环节材料散热特性相关。一般为半导体材料的芯片、焊料、热沉和封装管壳。准确测量出半导体器件工作时PN结处的温升一方面可以分析器件的材料质量和封装散热特性，另一方面也是实际应用设计中必须了解的重要参数。
目前测量半导体PN结器件温升和热阻的方法主要有红外热像仪法，通过表面的温度分布，测量出半导体器件的温升和热阻。对于发光器件，可以利用发光波长随温度的变化，测量其内部的温升。但这些测量技术操作复杂，测量周期长，有的器件还需打开器件管冒，带来一定的破坏性。
发明内容：
本发明的主要发明点在于：利用快速脉冲技术，发明了一种非破坏性测量半导体PN二极管瞬态和稳态工作温升及热阻的方法和装置，特别是可以测量出半导体PN结器件加功率后，PN结处温度随时间的上升过程，即瞬态加热响应曲线。通过该曲线可以分辨出器件的主要热阻构成。
本发明提供的一种半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置，其特征在于，包括以下部分，方框图见图1：
首先被测器件401放置在可调温的恒温平台403上；计算机100是实施测量的中心，测量指令的发送、测量数据传输和保存均由计算机100控制完成；计算机100通过总线接口200接出采集器205；采集器205分成三路，连接到一个可计算机控制的三路开关303，完成三个稳态工作电参数的采集：一路直接通过三路开关303，接到被测器件401，直接采集401两端的电压；从采集器205引出的第二条线串接一个测试电流采样电阻501后，接入三路开关303，再从三路开关303接入到测试电流源201；采集测试电流采样电阻501上电压，得到被测器件401的测试电流；测试电流源201的一端要接到接口200，接受由计算机100设定的工作电流指令；201的另一端接到电流开关301；从采集器205引出的第三条线串接一个工作电流采样电阻502后，接入三路开关303，再从三路开关303接入到工作电流源202；采集工作电流采样电阻的电压，得到被测器件401的工作电流；工作电流源202的一端接到接口200，接受由计算机100设定的工作电流指令；工作电流源202另一端接到电流控制开关301；
电流控制开关301的输入两端分别接入从测试电流源201输出的测试电流和从工作电流源202输出的工作电流；两输出端一端接到参考负载402，一端接到被测器件401；另外一个控制端接到时序发生器203；由计算机设定的从测试电流源201输出的测试电流，在测量过程中，一直经过电流控制开关301，输出到被测器件401上；由计算机100设定的从工作电流源202输出的工作电流，受电流控制开关301的控制端，从时序发生器203输出过来的时序控制；时序发生器203一端接到接口200，接受由计算机100设定的指令；当器件工作时，电流输出到被测器件401上；测量时，该电流则流向参考负载402；
被测器件401两端在测试电流下的电压是由采样频率1.25Mhz以上、12位以上高速采集器204完成的；采集器204一端接到接口200，接受和发送指令和数据从或者到计算机100，一端接到高速截取放大器302；高速截取放大器302接到被测器件401；高速截取放大器302的功能是截取掉大部分不变化的成分，有效放大随温度变化的部分，保证测量的精度；测试电流下被测器件401两端的电压经高速截取放大器302截取放大后，由高速采集器204采集并传到计算机100，显示出采集的电压波形。
高速截取放大器302接出了参考电压电位器304。未接参考电压电位器304时，针对一种结电压的器件，截取的电压是固定的。当器件的结电压变化较大，或不同器件时，截取的部分过少、或过多都不能有效放大随温度变化的部分。这样会牺牲测量精度。增加参考电压电位器304后，无论什么器件，通过计算机显示器采集的波形，调节电位器，选定要截取的结电压部分。这样不受结电压变化的影响，每次都能充分保证利用放大器的放大区间。
使用上述连接的装置，测量被测器件401温度系数的方法：
1将被测器件401接触放置在可调温度的恒温平台403上；接好被测器件401上的两端导线；设恒温平台的温度为T1；
2通过计算机100设置工作电流为零，设置一个控制脉冲；该控制脉冲在时间上有高低电平两种状态；高电平持续的时间为tH，低电平持续时间为tL；该电流脉冲在时间上是持续重复的；参考图2；
3计算机100通过接口200，在控制脉冲每次由高电平向低电平转换的下降沿，触发高速采集器204，采集经高速截取放大器302，截取、放大被测器件401在测试电流下的两端电压；
4高速截取放大器302固定截取、放大被测器件401两端电压中含有随温度变化的部分，输出给高速采集器204；由于每次控制脉冲的下降沿都触发采集被测器件401两端的电压，可通过计算机采集多次后，再做平均，得到T1温度下，未加工作电流时，测试电流下的401两端电压Vpn1，经接口200传到计算机100，并显示采集的结电压波形；
5将恒温平台升高温度到T2，重复步骤3、步骤4测量相同测试电流下的端电压Vpn2，其温度系数是＝(Vpn2-Vpn1)/(T2-T1)；
即温度每升高一度测试电流下PN结电压的改变量；或者选择多次改变恒温平台温度，重复步骤3、4的测量；然后利用最小二乘法计算出温度系数。选择多次改变恒温平台温度可以提高温度系数精度。温度系数测量后，数据存盘。只要保持相同的测试电流，温度系数就可以使用。
在步骤4中，当使用增加的参考电压电位器304时，通过调节电位器，在计算机100显示的结电压波形中，选定截取放大的部分；这样可以充分截取测试电流下，被测器件401两端电压中随温度变化部分，提高测量精度；一旦选定参考电压电位器304后，就不可再调节304的电阻值。
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401接触放置在可调温度的恒温平台403上；连接好被测器件401两根导线；设恒温平台温度为T0；
II、保持与测量温度系数相同的测试电流下，通过计算机100设定工作电流为零，设置一个控制脉冲；该控制脉冲在时间上有高低电平两种状态；高电平持续的时间为tH，低电平持续时间为tL；该电流脉冲在时间上是持续重复的；参考图2；计算机100通过接口200，在控制脉冲每次由高电平向低电平转换的下降沿，触发高速采集器204，采集经高速截取放大器302，截取、放大被测器件401在T0温度下，未加工作电流时，测试电流下的两端电压；由于每个下降沿都触发采集被测器件401两侧的电压，可以采集多次，再做平均得到V1；参考图3。
III、通过计算机100设定加工作电流脉冲；该脉冲从0到t1时间段，工作电流为零，只有测试电流I0；t1时刻开始，该电流脉冲为工作电流Iw和测试电流I0之和；到t2时刻，加载的工作电流为零，工作电流的持续时间段为tH；参考图4；
IV、执行测量程序；计算机100发送指令经接口200到时序发生器203，执行电流脉冲的0-t1时间段，此时只有测试电流通过被测器件401；当t1时刻到达后，计算机100发送指令经接口200到时序发生器203，执行电流脉冲的t1-t2时间段，工作电流和测试电流叠加后加载到被测器件401；工作电压为V2；此时工作电流使被测器件温度升高；
V、当t2时刻到达后，计算机100控制电流控制开关301处的电流流向参考负载402；同时触发高速采集器204，采集经高速截取放大器302，截取、放大被测器件401在工作电流持续时间tH时间段内，由于加载电功率引起温升后，测试电流下的两端电压V3；参考图4；
VI、测得的V3与步骤II测得的V1差就是由于工作电流产生温升，带来的变化；随时间增加，V3与V1的差变小，逐渐趋于零；V3与V1的差V3-V1，再除以温度系数α就是测量的设定工作电流和设定的工作电流施加时间段tH内，使被测器件401的产生的温升，ΔT＝(V3-V1)/α；
VII、被测器件401工作时电流和电压的采集，是将步骤III中工作电流脉冲中的tH设定为超过5分钟，使之为稳定直流工作；运行执行程序；此时由计算机100控制三路开关303、采集器205采集分别采集被测器件401两端的电压V2、工作电流Iw测试电流I0，并输出到计算机100；采集后，计算机100控制工作电流为零；对于非发光器件，施加的功率＝V2×Iw，温升除以功率就是热阻，Rth＝ΔT/(V2×Iw)。
在步骤II和V中，当使用增加的参考电压电位器304时，通过调节电位器，在计算机100显示的结电压波形中，选定截取放大的部分，输出到高速采集器204；这样可以充分截取测试电流下，被测器件401两端电压中随温度变化部分，提高测量精度。
在步骤III中，由于t2的值可以由计算机设定，可以设定一个n次测量组；该测量组中，每次除了tH增加外，其余不变，即tH1，tH2，tH3，。。。tHn；其中n为1，2……自然数；电流持续时间tH值从几个微秒，增加到几百秒；参考图5；每个tHn下，都能测得一个温升ΔTn；以ΔT为纵坐标，以工作电流持续时间tH为横坐标绘出曲线；该曲线就是被测器件401施加电流后，内部温度升高随时间的变化过程，即加热响应曲线；参考图6；通过该曲线可以获得很多被测器件的散热性质；对于非发光器件也可以用热阻Rth为纵坐标，tH为横坐标，绘制Rth与tH曲线。
附图说明
图1测试装置结构方框图
图2控制脉冲时序图
图3施加工作电流前后，被测器件两端测试电流下和工作电流下的电压
图4加工作电流的时序脉冲
图5一个n次测量组的时序脉冲
图6加热响应曲线的示意图
具体实施方式
首先被测器件401放置在可调温的恒温平台403上，恒温平台可以使用半导体致冷器构成。计算机100是实施测量的中心，测量指令的发送、测量数据传输和保存均由计算机100控制完成，计算机可使用IBM系列兼容机。计算机100通过总线接口200接出采集器205，总线接口可使用74HC245构成，采集器可使用高速AD转换器AD574。采集器205分成三路，连接到一个可计算机控制的三路开关303，三路开关可使用IRF530构成，完成三个稳态工作电参数的采集：一路直接通过三路开关303，接到被测器件401，直接采集401两端的电压；从采集器205引出的第二条线串接一个测试电流采样电阻501后，采样电阻可使用低温度系数的合金带电阻，接入三路开关303，再从三路开关303接入到测试电流源201，测试电流源使用OP07和IRF9530构成。采集测试电流采样电阻501上电压，得到被测器件401的测试电流。测试电流源201的一端要接到接口200，接受由计算机100设定的工作电流指令。201的另一端接到电流开关301，电流开关可以使用IRF530构成；从采集器205引出的第三条线串接一个工作电流采样电阻502后，采样电阻同样使用低温度系数的合金带电阻，接入三路开关303，再从三路开关303接入到工作电流源202，工作电流源使用OP07和IRF9530构成。采集工作电流采样电阻的电压，得到被测器件401的工作电流。工作电流源202的一端接到接口200，接受由计算机100设定的工作电流指令。工作电流源202另一端接到电流控制开关301。
电流控制开关301的输入两端分别接入从测试电流源201输出的测试电流和从工作电流源202输出的工作电流；两输出端一端接到参考负载402，参考负载使用与被测器件具有相近的正向压降的器件，一端接到被测器件401；另外一个控制端接到时序发生器203，时序发生器可由单片机MCS-51构成。由计算机设定的从测试电流源201输出的测试电流，在测量过程中，一直经过电流控制开关301，输出到被测器件401上。由计算机100设定的从工作电流源202输出的工作电流，受电流控制开关301的控制端，从时序发生器203输出过来的时序控制。当器件工作时，电流输出到被测器件401上；测量时，该电流则流向参考负载402。
被测器件401两端在测试电流下的电压是由采样频率1.25Mhz以上、12位以上高速采集器204完成的，高速采集器可使用高速AD转换器AD574。采集器204一端接到接口200，接受和发送指令和数据从或者到计算机100，一端接到高速截取放大器302，高速截取放大器可以由超高速运算放大器OPA643构成。高速截取放大器302接到被测器件401。高速截取放大器302的功能是截取掉大部分不变化的成分，有效放大随温度变化的部分，保证测量的精度。测试电流下被测器件401两端的电压经高速截取放大器302截取放大后，由高速采集器204采集并传到计算机100，显示出采集的电压波形。
高速截取放大器302接出了参考电压电位器304，参考电压电位器可用精密多圈电位器构成。
本发明的半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量方法的具体实施方式如前所述，本处不再赘述。

Claims (7)

1、一种半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置，其特征在于，包括以下部分：
被测器件(401)放置在可调温的恒温平台(403)上；计算机(100)是实施测量的中心，测量指令的发送、测量数据传输和保存均由计算机(100)控制完成；计算机(100)通过总线接口(200)接出采集器(205)；采集器(205)分成三路，连接到一个可计算机控制的三路开关(303)，完成三个稳态工作电参数的采集：一路直接通过三路开关(303)，接到被测器件(401)，直接采集(401)两端的电压；从采集器(205)引出的第二条线串接一个测试电流采样电阻(501)后，接入三路开关(303)，再从三路开关(303)接入到测试电流源(201)；采集测试电流采样电阻(501)上电压，得到被测器件(401)的测试电流；测试电流源(201)的一端要接到接口(200)，接受由计算机(100)设定的工作电流指令；(201)的另一端接到电流开关(301)；从采集器(205)引出的第三条线串接一个工作电流采样电阻(502)后，接入三路开关(303)，再从三路开关(303)接入到工作电流源(202)；采集工作电流采样电阻的电压，得到被测器件(401)的工作电流；工作电流源(202)的一端接到接口(200)，接受由计算机(100)设定的工作电流指令；工作电流源(202)另一端接到电流控制开关(301)；
电流控制开关(301)的输入两端分别接入从测试电流源(201)输出的测试电流和从工作电流源(202)输出的工作电流；两输出端一端接到参考负载(402)，一端接到被测器件(401)；另外一个控制端接到时序发生器(203)；由计算机设定的从测试电流源(201)输出的测试电流，在测量过程中，一直经过电流控制开关(301)，输出到被测器件(401)上；由计算机(100)设定的从工作电流源(202)输出的工作电流，受电流控制开关(301)的控制端，从时序发生器(203)输出过来的时序控制；时序发生器(203)一端接到接口(200)，接受由计算机(100)设定的指令；当器件工作时，电流输出到被测器件(401)上；测量时，该电流则流向参考负载(402)；
被测器件(401)两端在测试电流下的电压是由采样频率1.25Mhz以上、12位以上高速采集器(204)完成的；采集器(204)一端接到接口(200)，接受和发送指令和数据从或者到计算机(100)，一端接到高速截取放大器(302)；高速截取放大器(302)接到被测器件(401)；测试电流下被测器件(401)两端的电压经高速截取放大器(302)截取放大后，由高速采集器(204)采集并传到计算机(100)，显示出采集的电压波形。
2、根据权利要求1所述的半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置，其特征在于，高速截取放大器(302)接出参考电压电位器(304)。
3、使用权利要求1所述的半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置，测量被测器件(401)温度系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将被测器件(401)接触放置在可调温度的恒温平台(403)上；接好被测器件(401)上的两端导线；设恒温平台的温度为T1；
2)通过计算机(100)设置工作电流为零，设置一个控制脉冲；该控制脉冲在时间上有高低电平两种状态；高电平持续的时间为tH，低电平持续时间为tL；该电流脉冲在时间上是持续重复的；
3)计算机(100)通过接口(200)，在控制脉冲每次由高电平向低电平转换的下降沿，触发高速采集器(204)，采集经高速截取放大器(302)，截取、放大被测器件(401)在测试电流下的两端电压；
4)高速截取放大器(302)固定截取、放大被测器件(401)两端电压中含有随温度变化的部分，输出给高速采集器(204)；由于每次控制脉冲的下降沿都触发采集被测器件(401)两端的电压，可通过计算机采集多次后，再做平均，得到T1温度下，未加工作电流时，测试电流下的(401)两端电压Vpn1，经接口(200)传到计算机(100)，并显示采集的结电压波形；
5)将恒温平台升高温度到T2，重复步骤3、步骤4测量相同测试电流下的端电压Vpn2，其温度系数是α＝(Vpn2-Vpn1)/(T2-T1)；即温度每升高一度测试电流下PN结电压的改变量；或者选择多次改变恒温平台温度，重复步骤3、4的测量；然后利用最小二乘法计算出温度系数。
4、根据权利要求3所述的测量被测器件(401)温度系数的方法，其特征在于，在步骤4中，当使用增加的参考电压电位器(304)时，通过调节电位器，在计算机(100)显示的结电压波形中，选定截取放大的部分。
5、使用权利要求1所述的半导体PN结二极管器件的温升和热阻测量装置，测量被测器件温升和热阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
I、将被测器件(401)接触放置在可调温度的恒温平台(403)上；连接好被测器件(401)两根导线；设恒温平台温度为T0；
II、保持与测量温度系数相同的测试电流下，通过计算机(100)设定工作电流为零，设置一个控制脉冲；该控制脉冲在时间上有高低电平两种状态；高电平持续的时间为tH，低电平持续时间为tL；该电流脉冲在时间上是持续重复的；计算机(100)通过接口(200)，在控制脉冲每次由高电平向低电平转换的下降沿，触发高速采集器(204)，采集经高速截取放大器(302)，截取、放大被测器件(401)在T0温度下，未加工作电流时，测试电流下的两端电压；由于每个下降沿都触发采集被测器件(401)两侧的电压，可以采集多次，再做平均得到V1；
III、通过计算机(100)设定加工作电流脉冲；该脉冲从0到t1时间段，工作电流为零，只有测试电流I0；t1时刻开始，该电流脉冲为工作电流Iw和测试电流I0之和；到t2时刻，加载的工作电流为零，工作电流的持续时间段为tH；
IV、执行测量程序；计算机(100)发送指令经接口(200)到时序发生器(203)，执行电流脉冲的0-t1时间段，此时只有测试电流通过被测器件(401)；当t1时刻到达后，计算机(100)发送指令经接口(200)到时序发生器(203)，执行电流脉冲的t1-t2时间段，工作电流和测试电流叠加后加载到被测器件(401)；工作电压为V2；此时工作电流使被测器件温度升高；
V、当t2时刻到达后，计算机(100)控制电流控制开关(301)处的电流流向参考负载(402)；同时触发高速采集器(204)，采集经高速截取放大器(302)，截取、放大被测器件(401)在工作电流持续时间tH时间段内，由于加载电功率引起温升后，测试电流下的两端电压V3；
VI、测得的V3与步骤II测得的V1差就是由于工作电流产生温升，带来的变化；随时间增加，V3与V1的差变小，逐渐趋于零；V3与V1的差V3-V1，再除以温度系数α就是测量的设定工作电流和设定的工作电流施加时间段t3-t2内，使被测器件(401)的产生的温升，ΔT＝(V3-V1)/α；
VII、被测器件(401)工作时电流和电压的采集，是将步骤III中工作电流脉冲中的tH设定为超过5分钟，使之为稳定直流工作；运行执行程序；此时由计算机(100)控制三路开关(303)、采集器(205)采集分别采集被测器件(401)两端的电压V2、工作电流Iw和测试电流I0，并输出到计算机(100)；采集后，计算机(100)控制工作电流为零；对于非发光器件，施加的功率＝V2×Iw，温升除以功率就是热阻，Rth＝ΔT/(V2×Iw)；
6、根据权利要求5所述的测量被测器件温升和热阻的方法，其特征在于，在步骤II和V中，当使用增加的参考电压电位器(304)时，通过调节电位器，在计算机(100)显示的结电压波形中，选定截取放大的部分，输出到高速采集器(204)。
7、根据权利要求5所述的测量被测器件温升和热阻的方法，其特征在于，
在步骤III中，t2的值由计算机设定，设定一个n次测量组；该测量组中，每次除了tH增加外，其余不变，即tH1，tH2，tH3，。。。tHn；其中n为1，2……自然数；电流持续时间tH值从几个微秒，增加到几百秒；每个tHn下，测得一个温升ΔTn；以ΔT为纵坐标，以工作电流持续时间tH为横坐标绘出曲线；该曲线就是被测器件401施加电流后，内部温度升高随时间的变化过程，即加热响应曲线；对于非发光器件用热阻Rth为纵坐标，tH为横坐标，绘制Rth与tH曲线。
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