CN211785909U - 半导体器件的热阻k值采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体器件的热阻K值采集装置，该半导体器件具有导通状态和截止状态，包括：电流源，具有向该半导体器件提供测试电流的输出端；选择开关，具有用于提供不同电流路径的第一开关状态和第二开关状态，以使测试电流的电流方向与该半导体器件的导通状态的电流方向相同；加热装置，该半导体器件放置在其内部，用来改变该半导体器件的温度，电压测量装置，与该半导体器件连接，具有获得该半导体器件导通电压的输入端，其中，热阻K值采集装置根据该半导体器件的导通电压随温度的变化曲线获得K值。该热阻K值采集装置通过选择开关切换电流方向，可以实现连续采集不同类型的半导体器件的热敏参数，因而提高了测试效率。

Description

半导体器件的热阻K值采集装置

技术领域

本实用新型涉及半导体测试领域，更具体地，涉及半导体器件的热阻K值采集装置。

背景技术

半导体功率器件例如包括封装成同一个器件的绝缘栅双极晶体管 (InsulatedGate Bipolar Transistor，缩写为IGBT)和快恢复二极管(Fast Recovery Diode，缩写为FRD)，快恢复二极管(FRD)与绝缘栅双极晶体管(IGBT)反向并联连接。绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种兼容MOS器件和双极器件结构的功率器件，快恢复二极管(FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管。半导体功率器件通常在感性负载条件下使用，快恢复二极管(FRD)在绝缘栅双极晶体管(IGBT)关断期间提供续流路径，以避免感性负载产生的过电压导致绝缘栅双极晶体管(IGBT)损坏，从而提高半导体功率器件的可靠性。

半导体功率器件在工作过程中可能因发热使结温过高导致其损坏。因此，半导体功率器件的散热能力在封装设计和散热设计中均是重要因素。进一步地，在半导体功率器件的应用电路中，例如根据半导体功率器件的壳温和热阻计算出结温，以精确控制半导体功率器件在工作过程中的结温。半导体功率器件的K值表示结温的变化与热敏参数变化的比值，在半导体功率器件的设计和应用中用于评估结温的重要热阻参数。

图1示出根据现有技术的热阻K值采集装置示意框图。该热阻K值采集装置100包括电流源120、电压源130、控制开关140、电压测量装置150、加热装置160。

待测半导体器件110例如是封装成单个器件的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)和反向并联的快恢复二极管(FRD)。在测试期间，在加热装置160的内部放置待测半导体器件110。通过加热装置160来改变待测半导体器件110的温度。控制开关140连接于待测半导体器件110和电压源130 之间。电流源120连接待测半导体器件110以提供测试电流，电压测量装置150用于测量待测半导体器件110的导通电压。该热阻K值采集装置100 根据待测半导体器件110的导通电压随温度的变化曲线计算K值。

在该热阻K值采集装置100中，采用人工焊接引线的方式改变电流源 120与待测半导体器件110之间的电流路径，从而改变电流方向。在测量绝缘栅双极晶体管(IGBT)的K值时，第一方向的电流经由绝缘栅双极晶体管(IGBT)，从绝缘栅双极晶体管(IGBT)的引脚(C)流向引脚 (E)，即从绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极引脚流向发射极引脚。在测量快恢复二极管(FRD)的K值时，第二方向的电流经由快恢复二极管(FRD)，从绝缘栅双极晶体管(IGBT)的引脚(E)流向引脚(C)，即从绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极引脚流向集电极引脚。

图2a示出根据现有技术的热阻K值采集装置进行FRD K值采集的电路图。当控制开关140打开时电压源130停止对待测半导体器件110中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极供电，使得绝缘栅双极晶体管(IGBT) 截止。电流源120提供电流方向如图2a所示，电压测量装置150所测得的是快恢复二极管(FRD)导通时绝缘栅双极晶体管(IGBT)的引脚(E) 和引脚(C)之间的电压降。

图2b示出根据现有技术的热阻K值采集装置进行IGBT K值采集的电路图。当控制开关140闭合时，电压源130对待测半导体器件110中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极供电，绝缘栅双极晶体管(IGBT)正常工作。电流源120提供电流方向如图2b所示，电压测量装置150所测得的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)导通时，绝缘栅双极晶体管(IGBT)的引脚(C)和引脚(E)之间的电压降。

根据现有技术的热阻K值采集装置，对于封装成同一个器件的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和快恢复二极管(FRD)，如果采用JEDEC51-1 标准进行电气测试，则需要分别测量两种器件的K值，其中采用人工焊接引线的方式改变电流源和待测半导体器件引脚之间的连接，改变电流方向，导致测试操作繁琐且测试效率低。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种半导体器件的热阻K值采集装置，有效解决了操作步骤不便，节省了测试时间。

根据本实用新型的实施例，提供一种半导体器件的热阻K值采集装置，其特征在于，所述热阻K值采集装置包括：加热装置，在所述加热装置的内部放置所述半导体器件，用于改变所述半导体器件的温度；电流源，所述电流源具有向所述半导体器件提供测试电流的输出端；选择开关，连接在所述电流源和所述半导体器件之间，所述选择开关具有用于提供不同电流路径的第一开关状态和第二开关状态，以使所述测试电流方向与所述半导体器件的导通的电流方向相同；以及电压测量装置，与所述半导体器件连接，具有获得所述半导体器件的导通电压的输入端，其中，所述热阻K值采集装置根据所述半导体器件的导通电压随温度的变化曲线获得K值。

优选地，所述选择开关包括彼此连接的第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关，所述第一单刀双掷开关具有第一固定端、第一选择端和第二选择端，所述第二单刀双掷开关具有第二固定端、第三选择端和第四选择端，

在所述选择开关的第一开关状态，所述第一固定端连接至所述第二选择端，所述第二固定端连接至第四选择端，

在所述选择开关的第二开关状态，所述第一固定端连接至所述第一选择端，所述第二固定端连接至第三选择端。

优选地，所述半导体器件包括二极管、双极晶体管、场效率晶体管和绝缘栅双极晶体管中的至少一种。

优选地，所述绝缘栅双极晶体管在K值采集时所述选择开关为第一开关状态，且所述测试电流从所述绝缘栅双极晶体管的集电极引脚流向发射极引脚，所述二极管在K值采集时所述选择开关为第二开关状态，且所述测试电流从所述绝缘栅双极晶体管的发射极引脚流向集电极引脚。

优选地，还包括：电压源和控制开关，所述电压源经由所述控制开关连接至所述绝缘栅双极晶体管的栅极以提供栅极控制信号，使得所述绝缘栅双极晶体管处于导通状态或所述二极管处于导通状态。

优选地，所述控制开关在所述绝缘栅双极晶体管的K值采集期间处于闭合状态，在所述二极管的K值采集期间处于断开状态。

优选地，所述选择开关和所述控制开关分别为拨动开关、按钮开关、按键开关中的任一种。

优选地，所述选择开关和控制开关分别包括继电器，以根据控制信号切换开关状态。

优选地，所述电压源和所述电流源为可编程直流电源。

优选地，所述半导体器件包括反向并联连接的绝缘栅双极晶体管和二极管。

优选地，所述二极管为快恢复二极管。

优选地，所述绝缘栅双极晶体管和所述二极管集成为单个器件。

优选地，所述选择开关在同一个温度点切换所述第一开关状态和所述第二开关状态，以分别获得所述绝缘栅双极晶体管和所述二极管在所述温度点的导通电压。

优选地，还包括：计算装置，所述计算装置对所述待测半导体器件的导通电压随温度的变化曲线进行拟合以获得K值。

优选地，所述加热装置包括烘箱或油箱。

根据本实用新型实施例的热阻K值采集装置，采用选择开关切换电流方向，对于不同类型的半导体功率器件提供相应的正向电流以产生导通电压，从而可以根据半导体器件的导通电压随温度的变化曲线获得K 值。因而，该热阻K值采集装置可以适用于不同类型的半导体功率器件的K值采集。

在优选的实施例中，对于集成在单个器件中的绝缘栅双极晶体管和快恢复二极管，该热阻K值采集装置可以采用选择开关切换电流方向，无需采用人工焊接引线的方式改变电流源和待测半导体器件之间的连接，从而可以在半导体器件的K值采集中省去一部分人工焊接引线的步骤，以提高测试效率。

在进一步优选的实施例中，对于集成在单个器件中的绝缘栅双极晶体管和快恢复二极管，该热阻K值采集装置采用选择开关切换电流方向，可以在同一个温度点采集不同类型的半导体器件的电压降，从而在单个降温过程中可以同时测试绝缘栅双极晶体管和快恢复二极管的K值，进一步提高测试效率。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的热阻K值采集装置的示意框图；

图2a示出根据现有技术的热阻K值采集装置进行FRD K值采集的电路图；

图2b示出根据现有技术的热阻K值采集装置进行IGBT K值采集的电路图；

图3示出根据本实用新型实施例的热阻K值采集装置的示意框图；

图4a示出根据本实用新型实施例的热阻K值采集装置进行FRDK值采集的电路图；

图4b示出根据本实用新型实施例的热阻K值采集装置进行IGBTK值采集的电路图；

图5a示出采用图3所示热阻K值采集装置获得的FRD的结电压-结温曲线图；以及

图5b示出采用图3所示热阻K值采集装置获得的IGBT的结电压-结温曲线图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。

图3示出根据本实用新型实施例的热阻K值采集装置示意框图。该热阻K值采集装置200包括电流源220、电压源230、控制开关240、选择开关270、电压测量装置250、加热装置260。

待测半导体器件210例如是封装成单个器件的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)和快恢复二极管(FRD)。在测试期间，在加热装置260的内部放置待测半导体器件210。待测半导体器件210例如包括二极管、双极晶体管、场效率晶体管和绝缘栅双极晶体管至少之一。加热装置260 例如包括烘箱或油箱。通过加热装置260来改变待测半导体器件210的温度。电压源230经由控制开关240连接至待测半导体器件210以提供控制信号。电流源220经由选择开关270连接至待测半导体器件210以提供测试电流。电流源220和电压源230例如为可编程直流电源。电压测量装置250用于测量待测半导体器件210的导通电压。该热阻K值采集装置200根据待测半导体器件210的导通电压随温度的变化曲线计算 K值。

在热阻K值采集装置200中，采用控制开关240控制绝缘栅双极晶体管的导通状态，采用选择开关270改变电流源220与待测半导体器件210 之间的电流路径，从而选择第一电流方向和第二电流方向之一。在测量绝缘栅双极晶体管(IGBT)的K值时，绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极与电压源230连接因而处于导通状态，第二方向的电流b经由绝缘栅双极晶体管(IGBT)，从绝缘栅双极晶体管(IGBT)的引脚(C)流向引脚(E)，即从绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极引脚流向发射极引脚，由此获得绝缘栅双极晶体管(IGBT)的引脚(C)和引脚(E)之间电压降。在测量快恢复二极管(FRD)的K值时，绝缘栅双极晶体管(IGBT) 的栅极与电压源230之间的控制开关断开因而快恢复二极管(FRD)处于导通状态，第一方向的电流a经由快恢复二极管(FRD)，从绝缘栅双极晶体管(IGBT)的引脚(E)流向引脚(C)，即从绝缘栅双极晶体管(IGBT) 的发射极引脚流向集电极引脚，由此获得绝缘栅双极晶体管(IGBT)的引脚(E)和引脚(C)之间电压降。

在该实施例中，选择开关270包括彼此连接的第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关，第一单刀双掷开关具有第一固定端、第一选择端和第二选择端，第二单刀双掷开关具有第二固定端、第三选择端和第四选择端，在选择开关270的第一开关状态，第一单刀双掷开关的第一固定端连接至第二选择端，第二单刀双掷开关的第二固定端连接至第四选择端，

在选择开关270的第二开关状态，第一单刀双掷开关的第一固定端连接至所述第一选择端，第二单刀双掷开关的第二固定端连接至第三选择端。具体地，选择开关270中的第一单刀双掷开关的第一固定端与电流源 220的正极连接，第一选择端和第二选择端分别与待测半导体器件210中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极和集电极连接；选择开关270中的第二单刀双掷开关的第二固定端与电流源220的负极连接，第三选择端和第四选择端分别与待测半导体器件210中的绝缘栅双极晶体管(IGBT) 的集电极和发射极连接。在替代的实施例中，选择开关270和控制开关240 例如分别为拨动开关、按钮开关、按键开关中的任一种。选择开关270 和控制开关240例如分别包括继电器，以根据控制信号切换开关状态。

在优选的实施例中，选择开关270在同一个温度点切换第一开关状态和第二开关状态，以分别获得绝缘栅双极晶体管和二极管在温度点的导通电压。

在优选的实施例中，热阻K值采集装置200还包括控制装置，为控制开关240和选择开关270提供控制信号以控制开关状态，实现K值采集的自动控制。该控制装置例如是PLC(可编程逻辑控制器)。

在优选的实施例中，热阻K值采集装置200包括计算装置，该计算装置对待测半导体器件210的导通电压随温度(结电压随结温)曲线进行拟合以获得其斜率，所述斜率值即为K值。

图4a示出根据本实用新型实施例的热阻K值采集装置进行快恢复二极管(FRD)K值采集的电路图。

在测量快恢复二极管(FRD)的K值时，控制开关240断开，从而绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极未能获得控制信号，绝缘栅双极晶体管 (IGBT)处于截止状态。此时选择开关270处于第二开关状态，其中的第一单刀双掷开关将其第一固定端连接至其第一选择端，第二单刀双掷开关将其第二固定端连接至其第三选择端，因而获得第一方向的电流a。电压测量装置250所测得的导通电压是快恢复二极管(FRD)导通时的阳极与阴极之间的正向压降VF。也即，将快恢复二极管(FRD)导通时的正向压降VF作为热敏参数进行K值采集。

图4b示出根据本实用新型实施例的热阻K值采集装置进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)K值采集的电路图。

在测量绝缘栅双极晶体管(IGBT)的K值时，控制开关240闭合，从而绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极获得控制信号，绝缘栅双极晶体管(IGBT)处于饱和导通状态。此时选择开关270处于第一开关状态，其中的第一单刀双掷开关将其第一固定端连接至其第二选择端，第二单刀双掷开关将其第二固定端连接至其第四选择端，因而获得第二方向的电流b。电压测量装置250所测得的导通电压是绝缘栅双极晶体管(IGBT) 饱和导通时的集电极发射极电压Vce。也即，将绝缘栅双极晶体管(IGBT) 饱和导通时的集电极发射极电压Vce作为热敏参数进行K值采集。

图5a和5b分别示出采用图3所示热阻K值采集装置获得的快恢复二极管(FRD)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的结电压-结温曲线图，表征导通电压随温度变化的曲线。如上所述，将快恢复二极管(FRD)导通时的正向压降VF作为热敏参数进行K值采集，以及将绝缘栅双极晶体管(IGBT)饱和导通时的集电极发射极电压Vce作为热敏参数进行K值采集。

为了进行K值采集，需要在多个温度点获得热敏参数。例如，加热装置260为油箱，采用油浴方式进行待测半导体器件210的加热和降温，以获得多个温度点。

在该实施例中，将待测半导体器件210缓慢浸入油箱，并保持待测半导体器件210完全浸在油箱里不接触箱壁，合上油箱盖，根据预设变化规律控制油箱的温度控制装置调节油的温度，从而调节待测半导体器件210 的结温，油的温度和半导体器件的结温之间达到热平衡，且不受外界的影响，因此油温与待测半导体器件210结温相等。

在快恢复二极管(FRD)的K值采集过程中，控制开关240断开，选择开关270中的第一单刀双掷开关将其第一固定端连接至其第一选择端，且第二单刀双掷开关将其第二固定端连接至其第三选择端。此时，待测半导体器件210中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)处于截止状态，电流源 220经由选择开关提供第一方向的电流a。采用加热装置260将待测半导体器件210加热至100℃，然后冷却降温至75℃左右。在冷却过程中，电压测量装置250在每隔5℃的温度点测量快恢复二极管(FRD)的正向压降，从而获得如图5a所示的结电压-结温曲线图。进一步地，根据结电压随结温的变化率计算快恢复二极管(FRD)的K值。

在绝缘栅双极晶体管(IGBT)的K值采集过程中，控制开关240闭合，选择开关270中的第一单刀双掷开关将其第一固定端连接至其第二选择端，且第二单刀双掷开关将其第二固定端连接至其第四选择端。此时，待测半导体器件210中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)处于导通状态，电流源220经由选择开关提供第二方向的电流b。采用加热装置260将待测半导体器件210加热至100℃，然后冷却降温至75℃左右。在冷却过程中，电压测量装置250在每隔5℃的温度点测量绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极发射极电压Vce，从而获得如图5b所示的结电压-结温曲线图。进一步地，根据结电压随结温的变化率计算绝缘栅双极晶体管(IGBT)的 K值。

在优选的实施例中，热阻K值采集装置200例如包括计算装置，根据以下公式(1)对结电压-结温曲线进行拟合获得斜率，作为待测半导体器件的K值，

Tj＝K*Von+b (1)

其中，K表示K值，Tj表示结温，Von表示待测半导体器件的导通电压，b表示常数项。

进一步地，在半导体功率器件的封装设计和散热设计中，或者在半导体功率器件的应用电路设计中，可以根据以下公式(2)采用K值计算半导体功率器件的热阻，

其中，θjc表示半导体功率器件的热阻，Tj和Tc分别表示半导体功率器件的结温和壳温，PH表示加热功率。

应当说明的是，在本实用新型的描述中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以进行其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种半导体器件的热阻K值采集装置，所述半导体器件具有导通状态和截止状态，其特征在于，所述热阻K值采集装置包括：

加热装置，在所述加热装置的内部放置所述半导体器件，用于改变所述半导体器件的温度；

电流源，所述电流源具有向所述半导体器件提供测试电流的输出端；

选择开关，连接在所述电流源和所述半导体器件之间，所述选择开关具有用于提供不同电流路径的第一开关状态和第二开关状态，以使所述测试电流的电流方向与所述半导体器件的导通状态的电流方向相同；以及

电压测量装置，与所述半导体器件连接，具有获得所述半导体器件的导通电压的输入端，

其中，所述热阻K值采集装置根据所述半导体器件的导通电压随温度的变化曲线获得K值。

2.根据权利要求1所述的热阻K值采集装置，其特征在于，

所述选择开关包括彼此连接的第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关，所述第一单刀双掷开关具有第一固定端、第一选择端和第二选择端，所述第二单刀双掷开关具有第二固定端、第三选择端和第四选择端，

在所述选择开关的第一开关状态，所述第一固定端连接至所述第二选择端，所述第二固定端连接至第四选择端，

在所述选择开关的第二开关状态，所述第一固定端连接至所述第一选择端，所述第二固定端连接至第三选择端。

3.根据权利要求2所述的热阻K值采集装置，其特征在于，

所述半导体器件包括二极管、双极晶体管、场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的热阻K值采集装置，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管在K值采集时所述选择开关为第一开关状态，且所述测试电流从所述绝缘栅双极晶体管的集电极引脚流向发射极引脚，所述二极管在K值采集时所述选择开关为第二开关状态，且所述测试电流从所述绝缘栅双极晶体管的发射极引脚流向集电极引脚。

5.根据权利要求3所述的热阻K值采集装置，其特征在于，还包括：电压源和控制开关，所述电压源经由所述控制开关连接至所述绝缘栅双极晶体管的栅极以提供栅极控制信号，使得所述绝缘栅双极晶体管处于导通状态或截止状态。

6.根据权利要求5所述的热阻K值采集装置，其特征在于，所述控制开关在所述绝缘栅双极晶体管的K值采集期间处于闭合状态，在所述二极管的K值采集期间处于断开状态。

7.根据权利要求5所述的热阻K值采集装置，其特征在于，

所述选择开关和所述控制开关分别为拨动开关、按钮开关、按键开关中的任一种。

8.根据权利要求5所述的热阻K值采集装置，其特征在于，

所述选择开关和控制开关分别包括继电器，以根据控制信号切换开关状态。

9.根据权利要求5所述的热阻K值采集装置，其特征在于，

所述电压源和所述电流源为可编程直流电源。

10.根据权利要求3所述的热阻K值采集装置，其特征在于，所述半导体器件包括反向并联连接的绝缘栅双极晶体管和二极管。

11.根据权利要求10所述的热阻K值采集装置，其特征在于，所述二极管为快恢复二极管。

12.根据权利要求10所述的热阻K值采集装置，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管和所述二极管集成为单个器件。

13.根据权利要求10所述的热阻K值采集装置，其特征在于，所述选择开关在同一个温度点切换所述第一开关状态和所述第二开关状态，以分别获得所述绝缘栅双极晶体管和所述二极管在所述温度点的导通电压。

14.根据权利要求1所述的热阻K值采集装置，其特征在于，还包括：计算装置，所述计算装置对待测半导体器件的导通电压随温度的变化曲线进行拟合以获得K值。

15.根据权利要求1所述的热阻K值采集装置，其特征在于，

所述加热装置包括烘箱或油箱。

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