EP1407489A2 - Vorrichtung und verfahren zum messen von betriebstemperaturen eines elektrischen bauteils - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum messen von betriebstemperaturen eines elektrischen bauteils

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EP1407489A2
EP1407489A2 EP02754223A EP02754223A EP1407489A2 EP 1407489 A2 EP1407489 A2 EP 1407489A2 EP 02754223 A EP02754223 A EP 02754223A EP 02754223 A EP02754223 A EP 02754223A EP 1407489 A2 EP1407489 A2 EP 1407489A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
breakdown
designed
measuring
measurement data
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02754223A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Hauenstein
Markus Baur
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1407489A2 publication Critical patent/EP1407489A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/27—Testing of devices without physical removal from the circuit of which they form part, e.g. compensating for effects surrounding elements
    • G01R31/275—Testing of devices without physical removal from the circuit of which they form part, e.g. compensating for effects surrounding elements for testing individual semiconductor components within integrated circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2601—Apparatus or methods therefor
    • G01R31/2603—Apparatus or methods therefor for curve tracing of semiconductor characteristics, e.g. on oscilloscope
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for measuring operating temperatures of an electrical component, in particular transient temperatures of the component during a breakthrough operation.
  • the performance of a component depends, among other things. strongly depends on the permissible operating temperatures. A very common cause of failure are excessive temperatures during operation, which damage the component or even destroy it completely. Knowledge of the component temperature, which arises under certain conditions of use, is therefore of great interest both for the user who is dimensioning a specific application and for the semiconductor manufacturer who is specifying his product.
  • junction temperature - j or junction temperature T- is determined by measuring the forward voltage of pn transitions of the component.
  • the pn junctions are transitions between p-doped and n-doped regions of a semiconductor and they are, for example, a component of the rectifier and zener diodes, or they are in the form of the mtrinsic body diode of a field effect transistor or MOSFET transistor.
  • This approach takes advantage of the fact that the voltage that must be applied to a p-n junction for a specific current flow in the direction of flow depends on the component temperature at the location of the p-n junction.
  • the functional relationship between the voltage of the current and the component temperature can be used to measure the component voltage by measuring the flow voltage to form a flow current.
  • the blocking breakdown of a diode cannot be investigated with this method, in which a voltage is so high in the blocking direction that the diode breaks down and a high so-called avalanche or avalanche current flows in the blocking direction.
  • the high fields and currents lead to a strong heating of the component, whereby the hottest point in the component is just at the break-through pn junction.
  • Temperature With the approach described above, however, must be waited until the reverse current has almost completely subsided in order to allow a measuring current to flow through the component in the direction of flow. This time delay results in an inaccurate measurement, since the temperature now present no longer corresponds to the temperature peak at the pn junction occurring during the breakthrough, since in the meantime the heat has already been distributed over a larger area of the component or over the thermally coupled environment of the component Has.
  • the transient temperature peaks are relevant for the damage to the component, which, as described here, cannot be measured precisely enough with the above solution approach according to the state of the Tecnmk.
  • the device according to the invention with the features of claim 1 and the corresponding method according to claim 10 have the advantage over the known solution approach that the peak temperatures occurring during critical operating states and their course over time during breakdown operation of the component can be precisely recorded.
  • the underlying the present invention idea is that the breakdown voltage and the breakdown current of the component at a particular time during the break-through operation by means of a measuring device is measured and at this time was added the component temperature by comparing these measured values with pre-reference measurement data to ⁇ sammenhangs between the breakdown voltage and of the breakdown current can be determined.
  • the junction temperature can thus be measured directly during breakthrough operation and its course can be tracked on a time scale during active component operation. Operation is not affected by the detection of the breakdown voltage.
  • the transient internal component temperature is measured, which is relatively independent of external influences caused by the assembly of the component.
  • the real-time data of the temperature profile of the component over time can be used directly for the calibration of numerical model calculations. Subsequent extrapolation of temperature values measured with a time delay is therefore no longer necessary.
  • the more precise temperature measurement enables developers to verify and optimize their theory / simulation models and calibrate certain parameters.
  • the specification of the semiconductor products can also be verified or verified using direct transient measurement data.
  • the method can also be applied to packaged and unpacked components and can also be used for repetitive switching processes, for example for repetitive avalanche
  • Breakthroughs can be used because the method itself does not take more time than the avalanche mode itself, ie there is no dead time between the individual Measurements and therefore no additional measuring time for the component.
  • the component is designed as an electrically breakthrough semiconductor component with at least one p-n junction.
  • the component is designed as a transistor, in particular a MOSFET transistor or a bipolar transistor, or as a diode, in particular a Zener diode.
  • the component is designed as a component capable of tunnel breakthrough with an insulation layer, for example a gate oxide layer, between two conductor layers.
  • the electrical storage device of the device is designed as an inductor.
  • the switching device of the device is designed as a MOSFET switch.
  • the component is designed as a MOSFET transistor, which can also be used as a switching device.
  • the measuring device is for measuring the breakdown voltage and the Breakthrough current of the component is designed as an oscilloscope at a certain point in time during breakthrough operation.
  • the device additionally has an evaluation unit which automatically determines the associated junction temperature profile of the component from the measured voltage and current profile.
  • the recording of reference measurement data as a calibration curve is carried out in a stationary manner at predetermined component temperatures, the predetermined component temperatures being selected in a suitable manner for the corresponding component such that the measured values of the junction layer temperature are determined with a predetermined accuracy in the event of a breakthrough later can.
  • the component is brought homogeneously to a predetermined temperature by means of a heating / cooling device for the recording of reference measurement data.
  • the recording of reference measurement data is carried out immediately after the electrical breakdown of the component.
  • Show it: 1 shows a block diagram of a device for measuring junction temperature T 3 of an electrically breakdown-fan component according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a graphical representation of breakthrough characteristics U ⁇ (I) of the different component temperatures T as reference measurement data according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a graphical view of the transient current and voltage curve during the breakthrough operation according to the exemplary embodiment in FIG. 2;
  • FIG. 1 illustrates a block diagram of a device 1 for measuring operating temperatures, in particular barrier layer temperatures T, during breakdown operation, of a component 2.
  • the device 1 can equally be used to record reference measurement data for obtaining calibration curves, but with an additional heating / cooling device described in more detail below.
  • the reference measurement data are intended to show the relationship between the breakdown voltage U d , the reverse current 1 and the component temperature T, thus also the temperature T-, in the restricted range.
  • the following device 1 according to F g is used for the measurement of the reference measurement data. 1 used.
  • An inductor 3 is charged via a switching device 4, for example a MOSFET transistor 4, to a specific charge for a specific period of time. This is in
  • Fig.l represented by the rectangular pulse at the gate of the MOSFET transistor 4.
  • the MOSFET transistor 4 advantageously has a higher breakdown voltage than the p-n transition of the component 2 to be examined in order to provide a sufficiently large charge for the breakdown of the component 2. However, an equally large breakdown voltage is sufficient.
  • the energy stored in the inductor 3 discharges via the pn junction of the component 2 shown in FIG. 1.
  • the voltage at the pn junction of the component 2 consequently rises until the breakdown occurs and a discharge current I in the reverse direction, the so-called reverse current I, via the diode or the component
  • the component 2 heats up due to the Joule heat emitted by the current flow. As can be seen in FIG. 3, the reverse current I subsides over time. Therefore, different temperature developments occur in the restricted area of component 2 during the breakthrough characteristic.
  • a homogeneous component temperature T is advantageously achieved by heating or cooling the entire component using a heating / cooling plate.
  • other methods for example tempering the component 2 by means of thermal flow to the desired temperature, are also conceivable.
  • the heating or cooling process is carried out for a certain period of time until a homogeneous temperature distribution of the component 2 is established such that the desired barrier layer temperature T D is present, in particular in the blocking region at the pn junction of the component 2 to be examined.
  • the breakdown voltage U d and the breakdown current I in the reverse direction are advantageous immediately after the breakdown of the pn junction, ie at most 1 up to 2 ⁇ s after the breakthrough, measured to record the reference measurement data.
  • the steep rise in voltage when the breakdown occurs can advantageously be used as the trigger signal for this measurement, the measurement being carried out at a specific, sufficiently short time after the trigger signal.
  • the circuit for the determination of the curve is suitable for covering the current range required for the calibration.
  • the duration of discharge of the inductor 3 can advantageously be made as short as possible, for example by using the smallest possible inductor 3.
  • the breakdown voltage U d of the respective component 2 can be measured at at least one defined reference point (I, T) and the total calibration curve family can be adapted to this reference point.
  • the switching device 4 can be dispensed with and instead a field effect transistor 2 to be configured can itself be used for charging the inductance 3.
  • the intrinsic body diode of the field effect transistor 2 is present as a pn junction and breaks through after the gate voltage has been switched off.
  • the calibration curve family shown in FIG. 2 is obtained, which represents the relationship between the breakdown voltage U ⁇ and the breakdown current I in the blocking direction for predetermined component temperatures T and blocking layer temperatures T D.
  • the distances between the predetermined temperatures T and T- are component and application-specific in such a way that the respective junction temperature T- can be read with sufficient accuracy for the measurement described below.
  • FIG 3 shows a graphical representation of a measurement of the breakdown voltage U d and the breakdown current I m as a function of time during the penetration of component 2 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 1 according to FIG. 1 already described above can be used to measure the junction temperature T 1 during the breakdown operation of the component 2. Only the heating / cooling device for heating or cooling component 2 is to be dispensed with in this case.
  • An oscilloscope (not shown) advantageously serves as a measuring device for measuring the breakdown voltage U d and the breakdown current I.
  • a pair of values (breakdown voltage U d , breakdown current I) is measured by means of the measuring device, from which the associated junction temperature value T - can be determined using the calibration curve family in FIG. 2.
  • one measures at a time t of approx. 0.09 ms is the value pair represented by the two “x”, where the breakdown voltage U d at time ti has a value of approximately 97.2 V and the breakdown current I at time t ⁇ has a value of approximately 27.5 A.
  • the barrier layer temperature T 3 existing at time x in the blocked region of component 2 is obtained by interpolating the Temperatures T of the calibration curves used.
  • a temperature T 3 prevailing in the component 2 in the blocking region of approximately 155 ° C. is obtained at the time t for the measured breakdown voltage U d and the measured breakdown current I, as can be seen in FIG.
  • the two closest reference measuring points of the two closest calibration curves are advantageously used for the interpolation.
  • the method described above can be repeated at any point in time t, as a result of which the course of the junction temperature T - shown in FIG. 1 is obtained.
  • a suitable software algorithm can be used for an automatic evaluation of the measurement data and display of the barrier layer temperature T 3 prevailing in the component 2 at the respective time t x .
  • the device described above for recording the calibration curve family and possibly avalanche test circuits can advantageously be integrated in a measuring apparatus, which then automates the measurement data acquisition and evaluation of the calibration curves.
  • a fast computing unit can, for example, convert the measured values online into a temperature curve which shows the user the transient junction temperature T 3 virtually in real time during component operation.
  • the forward voltage method described as prior art can be used to record the further course of the junction temperature after the avalanche current has decayed. In this way, the decay of the temperature could be followed on a longer time scale, for example. Under certain circumstances it may be advantageous to combine the known forward voltage method and the breakdown voltage method according to the invention.
  • the invention can be applied to all components with pn-doped semiconductor junctions, for example transistors, diodes etc., as well as to components which can break through the tunnel.
  • Such tunnel josbruchf hige components can, for example, two by an insulating layer, for example a gate oxide, made of one another t ⁇ n separate Porterschich-, wherein the isolated transition between the at ⁇ the conductive layers and the insulating layer, a tunnel breakdown can occur at a certain breakdown voltage.
  • Breakthrough metal semiconductor components e.g. sheet y diodes
  • Breakthrough metal semiconductor components can also be measured with the method according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Betriebstemperaturen Tj eines Bauteils, insbesondere transienter Temperaturen Tj im Durchbruchbereich des Bauteils (2) während eines Durchbruchbetriebes, wobei aus einer Messung der Durchbruchspannung Ud und des Durchbruchstromes I des Bauteils (2) zu einem bestimmten Zeitpunkt ti während des Durchbruchbetriebes mittels einer Messeinrichtung die Bauteiltemperatur Tj zum Zeitpunkt ti durch Vergleichen der Messdaten mit vorab aufgenommenen Referenzmessdaten ermittelbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Betriebstemperaturen eines elektrischen Bauteils
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Betriebstemperaturen eines elektrischen Bauteils, insbesondere transienter Temperaturen des Bauteils wahrend eines Durchbruchbetriebes.
Obwohl auf beliebige elektriscn durchbruchfahige Bauteile an- wendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen MOSFET- Transistor im Durchbruchbetrieb am p-n-Ubergang erläutert.
Allgemein hangt auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie d e Leistungsfähigkeit eines Bauteils u.a. stark von den zulassigen Betriebstemperaturen ab. Eine sehr naufige Ausfallursache sind zu hohe Temperaturen wahrend des Betriebes, die das Bauteil schadigen oder sogar vollständig zerstören. Sowohl für den Anwender, der eine bestimmte Applikation dimensioniert, als auch für den Halbleiterhersteller, der sein Produkt spezifiziert, ist daher die Kenntnis der Bauteiltemperatur, die sich unter bestimmten Einsatzbedingmgen einstellt, von gro- leτr Interesse.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problematik besteht also allgemein darin, die Bauteiltemperatur, insbesondere transiente nderungen der Temperatur im Inneren des Bauteils, wahrend des Betriebes zu erfassen. Momentan findet sich im Stand der Technik folgender Ansatz zur Losung dieses Problems. Die sogenannte Sperrschichttemperatur -j bzw. Junction-Temperatur T-, wird über die Messung der Flussspannung von p-n-Ubergangen des Bauteils bestimmt. Die p-n-Ubergange sind Übergänge zwischen p-dotierten und n- dotierten Gebieten eines Halbleiters und sie sind beispielsweise Bestandteil von Gleichrichter- und Zener-Diode , oder sie liegen in Form der mtrinsischen Body-Diode eines Feldeffekttransistors bzw. MOSFET-Transistors vor.
Dieser Ansatz nutzt aus, dass die Spannung, die in Flussrichtung an einen p-n-Ubergang für einen bestimmten Stromfluss angelegt werden muss, von der Bauteiltemperatur am Ort des p- n-Ubergangs abhangt. Über den funktionalen Zusammenhang der Spannung von dem Strom und der Bauteiltemperatur kann durch Messen der Flussspannung zu einem gegeoenen Flussstrom auf üie Bauteiltemperatur zuruckgeschlossen werden.
Als nachteilig bei dem oben bekannten Ansatz hat sich die Tatsache herausgestellt, dass der Messstrom in Flussrichtung über das Bauteil fließen muss, d.h. diese Methode nicht anwendbar ist, solange ein anderer Betπebszustand des Bauteils diesen Flussstrom verhindert. Auch wahrend solcher Betriebszustande ist es ]edoch oft notwendig, die internen Tempera- turverhaltnisse des Bauteils genau zu bestimmen.
Beispielsweise kann mit dieser Methode nicht der Sperrdurchbruch einer Diode untersucht werden, bei dem in Sperrrichtung eine derart hohe Spannung anliegt, dass die Diode durchbricht und in Sperrrichtung ein hoher sogenannter Avalanche- bzw. Lawinen-Strom fließt. Die hohen Felder und Strome fuhren zu einem starken Aufheizen des Bauteils, wobei die heißeste Stelle im Bauteil gerade am durchbrechenden p-n-Ubergang vorhanden ist. Für eine Bestimmung der dort vorherrschenden Tem- peratur mit dem oben beschriebenen Ansatz muss allerdings solange gewartet werden, bis der Sperrstrom nahezu vollständig abgeklungen ist, um einen Messstrom in Flussrichtung durch das Bauteil fließen lassen zu können. Diese Zeitverzogerung resultiert in einer ungenauen Messung, da die nun vorliegende Temperatur nicht mehr der wahrend des Durchbruchs auftretenden Temperaturspitze am p-n-übergang entspricht, da s ch zwischenzeitlich die Warme bereits über einen größeren Bereich des Bauteils bzw. auf die thermisch angekoppelte Umgebung des Bauteils verteilt hat.
Relevant für die Schädigung des Bauteils sind jedoch gerade die transienten Temperaturspitzen, die wie hier beschrieben mit dem obigen Losungsansatz gemäß dem Stand der Tecnmk nicht genau genug gemessen werden können.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die erfmdungsgemaße Vorrichtung mit den Merkmalen des An- spruchs 1 und das entsprechende Verfahren gemäß Anspruch 10 weisen gegenüber dem bekannten Losungsansatz den Vorteil auf, dass die wahrend kritischer Betriebszustande auftretenden Spitzentemperaturen und deren zeitlicher Verlauf beim Durch- bruchsbetrieb des Bauteils genau erfassbar sind.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass die Durchbruchspannung und der Durchbruchstrom des Bauteils zu einem bestimmten Zeitpunkt wahrend des Durchbruchbetriebes mittels einer Messeinrichtung gemessen und die Bauteiltemperatur zu diesem Zeitpunkt durch Vergleichen dieser Messwerte mit vorab aufgenommen Referenzmessdaten des Zu¬ sammenhangs zwischen der Durchbruchspannung und des Durchbruchstromes ermittelt werden. Somit kann die Sperrschichttemperatur während des Durchbruchbetriebes direkt gemessen und deren Verlauf auf einer Zeitskala während des aktiven Bauteilbetriebes verfolgt werden. Der Betrieb wird dabei nicht durch die Erfassung der Durch- bruchspannung beeinträchtigt. Ferner wird die transiente interne Bauteiltemperatur gemessen, die relativ unabhängig von externen Einflüssen durch die Montage des Bauteils ist.
Ferner können die Echtzeitdaten des zeitlichen Temperaturver- laufs des Bauteils direkt zur Kalibrierung numerischer Modellrechnungen herangezogen werden. Eine nachträgliche Extrapolation von zeitlich verzögert gemessenen Temperaturwerten ist somit nicht weiter erforderlich.
Durch die genauere Temperaturmessung können Entwickler ihre Theorie-/Simulationsmodelle verifizieren, optimieren und bestimmte Parameter kalibrieren. Auch die Spezifikation der Halbleiterprodukte kann durch direkte transiente Messdaten abgesichert bzw. verifiziert werden.
Schließlich können die Applikationsentwickler die Belastung der verwendeten Bauteile direkt im Schaltkreis während des aktiven Durchbruchbetriebes überprüfen. Der sogenannte sichere Arbeitsbereich des Bauteils kann dadurch besser für die Applikation ausgenutzt werden, da die Grenzen zulässiger thermischer Betriebsparamεter direkt erkennbar sind.
Die Methode lässt sich außerdem auf verpackte und unverpackte Bauteile anwenden und sie kann auch für sich wiederholende Schaltvorgänge, beispielsweise für repetive Avalanche-
Durchbrüche, angewendet werden, da die Methode selbst nicht mehr Zeit in Anspruch nimmt als der Avalanchebetriebsfall selbst, d.h. es besteht keine Totzeit zwischen den einzelnen Messungen und somit keine zusatzliche Messzeit für das Bauteil .
In den Unteranspruchen finden sich vorteilhafte Weiterbildun- gen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung und des entsprechenden Verfahrens gemäß Anspruch 11.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Bauteil als e- lektrisch durchbruchfahiges Halbleiterbauteil mit mindestens einem p-n-Ubergang ausgebildet. Beispielsweise ist das Bauteil als Transistor, insbesondere MOSFΞT-Transistor oder Bi- polar-Transistor, oder als Diode, insbesondere Zener-Diode, ausgebildet .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Bauteil als tunneldurchbruchfahiges Bauteil mit einer Isolationsschicht, beispielsweise einer Gateoxid-Schicht, zwischen zwei Leiterschichten ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die elektrische Speichereinrichtung der Vorrichtung als Induktivität ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Schalteinrichtung der Vorrichtung als MOSFET-Schalter ausgebildet .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Bauteil als MOSFET-Transistor ausgebildet, der zugleich als Schalteinrichtung verwendbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Messeinrichtung für die Messung der Durchbruchspannung und des Durchbruchstromes des Bauteils zu einem bestimmten Zeitpunkt wahrend des Durchbruchbetriebes als Oszilloskop ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Vor- richtung zusatzlich eine Aαswerteeinheit auf, die aus dem gemessenen Spannungs- und Stromverlauf den zugehörigen Sperrschicht-Temperaturverlauf des Bauteils automatisch ermittelt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Auf- nähme von Referenzmessdaten als Eichkurve bei vorbestimmten Bauteiltemperaturen stationär durchgeführt, wobei die vorbestimmten Bauteiltemperaturen für das entsprechende Bauteil derart geeignet gewählt werden, dass beim spateren Durch- bruchbetπeb der gemessenen Werte der Sperrschichttemperatur mit einer vorbestimmten Genauigkeit bestimmt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird für die Aufnahme von Referenzmessdaten das Bauteil mittels einer Heiz-/Kuhlemrichtung homogen auf eine vorbestimmte Te pera- tur gebracht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Aufnahme von Re erenzmessdaten unmittelbar nach dem elektrischen Durchbruch des Bauteils durchgeführt.
ZEICHNUNGEN
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung naher er- läutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Messen von Sperrschichttemperaturen T3 eines elektrisch αurchbruchfanigen Bauteils gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ;
Fig. 2 eine graphische Darstellung von Durchbruchkennli- nien Uα (I) Dei verschiedenen Bauteiltemperaturen T als Referenzmessdaten gemäß einem Ausfuhrungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine graphiscne Ansicht des transienten Strom- und Spannungsverlaufs wanrend des Durchbruchbetriebes gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel in Fig.2; und
Fig. 4 eine graphische Ansicht αes transienten Verlaufs der Sperrschichttemperatur T3 wanrend eines Durch- brucnbetriebes des Bauteils gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel in den Fig. 2 und 3.
BESCHREIBUNG DER AUSFUHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Fig. 1 illustriert ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Messen von Betriebstemperaturen, insbesondere von Sperr- schichttemperaturen T-, beim Durchbruchbetrieb, eines Bauteils 2.
Die Vorrichtung 1 kann gleichermaßen zur Aufnahme von Referenzmessdaten zur Gewinnung von Eichkurven verwendet werden, allerdings mit einer zusatzlichen, unten naher beschriebenen Heιz-/Kuhleιnrιchtung. Die Referenzmessdaten sollen den Zusammenhang zwischen der Durchbruchspannung Ud, dem Sperrstrom 1 und der Bauteiltemperatur T, somit auch der Temperatur T-, im Sperrbereich wiedergeben.
Für die Messung der Referenzmessdaten wird gemäß diesem Aus- fuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung folgende Vorrichtung 1 gemass F g. 1 verwendet.
Eine Induktivität 3 wird über eine Schalteinrichtung 4, beispielsweise einen MOSFET-Transistor 4, für eine bestimmte Zeitdauer auf eine bestimmte Ladung aufgeladen. Dies ist in
Fig.l durch das Rechteckimpuls am Gate des MOSFET-Transistors 4 dargestellt. Der MOSFET-Transistor 4 besitzt vorteilhaft eine höhere Durchbruchspannung als der p-n-Uoergang des zu untersuchenden Bauteils 2, um eine genügend große Ladung für den Durchbruch des Bauteils 2 zu liefern. Jedoch ist eine gleich große Durchbrucnspannung ausreichend.
Nach Abschalten des MOSFET-Transistors 4 entladt sich die in der Induktivität 3 gespeicherte Energie über den in Fig.l dargestellten p-n-Ubergang des Bauteils 2. Die Spannung am p- n-Ubergang des Bauteils 2 steigt folglich solange an, bis der Durchbruch erfolgt und ein Entladestrom I in Sperrrichtung, der sogenannte Sperrstrom I, über die Diode bzw. das Bauteil
2 abfließt.
Durch die durch den Stromfluss abgegebene joulsche Warme heizt sich das Bauteil 2 auf. Der Sperrstrom I klingt, wie in Fig. 3 ersichtlich, jedoch mit der Zeit ab. Daher kommt es im Sperrbereich des Bauteils 2 wahrend der Durchbruchkennlime zu unterschiedlichen Temperaturentwicklungen. Es ist für die Aufnahme der Referenzmessdaten erforderlich, die gemessene Durchbruchspannung Ud und den Durchöruchstrom I bei - auch im Sperrbereich - konstanten Bauteiltemperaturen T zu messen. Eine homogene Bauteiltemperatur T wird vorteilhaft durch Aufheizen bzw. Abkühlen des gesamten Bauteils mittels einer Heiz-/Kühlplatte erreicht. Allerdings sind auch andere Methoden, beispielsweise temperieren des Bauteils 2 mittels einer Thermostromung auf die gewünschte Temperatur, vorstellbar. Der Aufheiz- bzw. Abkühlvorgang wird für einen bestimmten Zeitraum durchgeführt, bis eine homogene Temperaturverteilung des Bauteils 2 sich derart eingestellt nat, dass insbesondere im Sperrbereich am zu untersuchenden p-n-Ubergang des Bau- teils 2 die gewünschte Sperrschichttemperatur TD vorliegt.
Um Einflüsse der joulschen Wärme auf die homogene Temperaturverteilung bei einem Fluss des Sperrstroms I wahrend des Durchbruchbetriebes des Bauteils 2 zu vermeiden, wird vor- teilhaft die Durchbruchspannung Ud und der Durchbruchstrom I in Sperrrichtung unmittelbar nach dem Durchbrechen des p-n- Ubergangs, d.h. höchstens 1 bis 2 μs nach dem Durchbrechen, zur Aufnahme der Referenzmessdaten gemessen. Als Triggersignal für diese Messung kann vorteilhaft der steile Anstieg der Spannung beim Eintreten des Durchbruches verwendet werden, wobei die Messung zu einem bestimmten, ausreichend kurzen Zeitpunkt nach dem Triggersignal durchgeführt wird.
Der zu diesem Zeitpunkt vorliegende Spannungswert Ud bei fließendem Sperrstrom I ergibt einen Referenzmesspunkt der in Fig.2 dargestellten Eichkurve Ud (I).
Die oben beschriebene Messung der Referenzmessdaten wird für verschiedene Einschaltzeiten der Gate-Spannung des MOSFΞT- Transistors 4 wiederholt. Mit zunehmender Einschaltzeit wird die Induktivität 3 starker, d.h. mit einer höheren Energie, aufgeladen, wodurch der zu Beginn des Durchbruchs fließende Strom I entsprechend eingestellt werden kann. Durch derartige Variationen des Stroms I zum Zeitpunkt des Durchbruchs erhalt man für ede homogen eingestellte Temperatur T entsprechende Referenzmess-Datenpaare (Ud, I), wodurch sich beispielsweise eine m Fig.2 dargestellte Eichkurven- schar ergibt.
Die Schaltung für d e Eicnkurvenbestimmung ist für eine Abdeckung des für die Eichung erforderlichen Stromberεichs geeignet zu dimensionieren. Um das Bauteil 2 nicht zu sehr zu be- lasten, kann die Entladedauer der Induktivität 3 vorteilhaft möglichst kurz ausgelegt werden, beispielsweise durch Verwendung einer möglichst kleinen Induktivität 3.
Zudem kann es je nach Bauteil oder Entwicklungsstadium zweck- maßig sein, für jedes einzelne Bauteil 2 eine eigene Eichkurvenschar zu bestimmen ooer eine einzige Eichkurvenschar repräsentativ für eine komplette Bauteilgeneration zu verwenden. Im letzteren Fall kann es unter Umstanden genügen, lediglich einzelne kleinere Exemplarstreuungen durch eine ge- eignete Skalierung der vorliegenden Eichkurvenschar anzupassen. Beispielsweise kann die Durchbruchspannung Ud des jeweiligen Bauteils 2 an mindestens einem definierten Referenzpunkt (I, T) gemessen und die Gesamteichkurvenschar an diesen Referenzpunkt angepasst werden.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf Fig.l auf die Schalteinrichtung 4 verzichtet und stattdessen ein zu eicnender Feldeffekttransistor 2 selbst zum Aufladen der Induktivit t 3 verwendet werden. Die intrinsische Body-Diode des Feldeffekttransistors 2 liegt gemäß diesem Ausfuhrungsbeispiel als p-n- Ubergang vor und bricnt nach Abschalten der Gate-Spannung durch . Nach Abschluss der Referenzdatenmessung erhalt man die in Fig.2 dargestellte Eichkurvenschar, die den Zusammenhang der Durchbruchspannung Uα und des Durchbruchstroms I in Sperrrichtung für vorbestimmtε Bauteiltemperaturen T bzw. Sperr- scΛichttemperaturen TD darstellen. Die Abstände der vorbestimmten Temperaturen T bzw. T-, sind bauteil- und anwendungsspezifisch derart auszulegen, dass für die unten beschriebene Messung die jeweilige Sperrschichttemperatur T-, genau genug abgelesen werden kann.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung einer Messung der Durchbruchspannung Ud und des Durchbruchstromes I m Abhängigkeit der Zeit wahrend des Durchoruchbetπebes des Bauteils 2 gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Zur Messung der Sperrschichttemperaturen T-, wahrend des Durchbruchbetriebes des Bauteils 2 kann die oben bereits beschriebene Vorrichtung 1 gemäß Fig.l verwendet werden. Lediglich auf die Heιz-/Kuhlemrιchtung für ein Aufheizen bzw. Ab- kühlen des Bauteils 2 ist m diesem Fall zu verzichten.
Als Messeinrichtung für eine Messung der Durchbruchspannung Ud und des Durchbruchstromes I dient vorteilhaft ein Os∑il- loskop (nicht dargestellt) .
Im Durchbruchbetrieb des Bauteils 2 wird mittels der Messeinrichtung ein Wertepaar (Durchbruchspannung Ud , Durchbruchstrom I) gemessen, aus dem mittels der Eichkurvenschar in Fig. 2 der dazugehörige Sperrschichttemperaturwert T-, ermit- telt werden kann.
Im folgenden soll das oben beschriebene Verfahren annand eines Beispiels unter zur Hilfenahmε der Fig. 2, 3 und 4 gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden.
Beispielsweise misst man, wie in Fig.3 ersichtlich, zu einem Zeitpunkt t von ca . 0,09 ms das durch die beiden „x" dargestellte Wertepaar, wooei die Durchbruchspannung Ud zum Zeitpunkt ti einen Wert von etwa 97,2 V und der Durchbruchstrom I zum Zeitpunkt t∑ einen Wert von etwa 27,5 A aufweist.
Wie in Fig.2 dargestellt, erhält man durch Vergleich des mit „x" dargestellten Wertepaares mit der dargestellten Eichkurvenschar, insbesondere mit den beiden nächstliegenden Durch- bruchkennlinien, die zum Zeitpunkt x im Sperrbereich des Bauteils 2 existierende Sperrschichttemperatur T3 durch In- terpolation der Temperaturen T der benutzten Eichkurven.
In dem vorliegendem Ausführungsbeispiel erhalt man somit zum Zeitpunkt t für die gemessene Durchbruchspannung Ud und den gemessenen Durchbruchstrom I eine in dem Bauteil 2 im Sperr- bereich vorherrschende Temperatur T3 von etwa 155 °C, wie in Fig.2 ersichtlich. Vorteilhaft werden die jeweils zwei nachstliegenden Referenzmesspunkte der beiden nächstliegenden Eichkurven für die Interpolation verwendet.
Das oben beschriebene Verfahren kann zu jedem Zeitpunkt t wiederholt werden, wodurch der in Fig. dargestellte Verlauf der Sperrschichttemperatur T-, gewonnen wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfaltige Weise modifizierbar. Insbesondere kann ein geeigneter Software-Algorithmus für eine automatische Auswertung der Messdaten und Anzeige der zum jeweiligen Zeitpunkt tx im Bauteil 2 vorherrschenden Sperr- schichttεmperatur T3 verwendet werden.
Die oben beschriebene Vorrichtung für die Aufnahme der Eichkurvenschar sowie evtl. Avalanche-Testschaltungen können vorteilhaft in einer Messapparatur integriert werden, welche dann die Messdatenerfassung und Auswertung der Eichkurven au- tomatisiert. Eine schnelle Recheneinheit kann beispielsweise online die Messwerte in eine Temperaturkurve umrechnen, die dem Nutzer die transiente Sperrschichttemperatur T3 quasi in Echtzeit wahrend des Bauteilbetriebes anzeigt.
Da die Sperrschichttemperatur nur während des Durchbruchs des p-n-Übergangs des Bauteils ausgewertet werden kann, d.h. solange ein endlicher Avalanche-Strom I in Sperrrichtung fließt, kann für eine Aufnahme des weiteren Verlaufs der Sperrschichttemperatur nach Abklingen des Avalanche-Stromes die als Stand der Technik beschriebene Flussspannungsmethode verwendet werden. Auf diese Weise ließe sich dann zum Beispiel das Abklingen der Temperatur auf einer längeren Zeitskala weiterverfolgen. So kann es unter Umständen vorteilhaft sein, die bekannte Flussspannungsmethode und die erfindungs- gemäße Durchbruchspannungsmethode zu kombinieren.
Ferner kann die Erfindung auf samtliche Bauteile mit p-n- dotiertεn Halbleiterübergängen, beispielsweise Transistoren, Dioden etc., sowie auf tunneldurchbruchfähige Bauteile ange- wendet werden. Solche tunneldurchbruchf hige Bauteile können beispielsweise aus zwei durch eine Isolationsschicht, beispielsweise ein Gateoxid, voneinander getrennte Leiterschich- tεn bestehen, wobei am isolierten Übergang zwischen den bei¬ den leitenden Schichten und der Isolationsschicht ein Tunnel- durchbruch bei einer bestimmten Durchbruchspannung auftraten kann .
Auch sind durchbruchfahige Metall-Halbleiterbauelemente (z.B. Schot y-Dioden) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren messbar.

Claims

Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Betriebstemperaturen eines elektrischen BauteilsPATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1) zum Messen von Betriebstemperaturen T3 eines elektrischen Bauteils (2), insbesondere transienter
Temperaturen T3 wahrend eines Durchbruchbetriebes, mit: einer elektrischen Speichereinrichtung (3); einem elektrisch durchbruchfähigen Bauteil (2) , das mit der elektrischen Speichereinrichtung (3) verbindbar ist; einer Schalteinrichtung (4) zum Aufladen der elektrischen Speichereinrichtung (3) auf eine bestimmte elektrische Ladung, wobei nach Abschalten der Schal einrichtung (4) die e- lektrische Speichereinrichtung (3) über das Bauteil (2) zum Schalten desselben in einen Durchbruchbetrieb entladbar ist; und mit einer Einrichtung zum Messen des Durchbruchspannungs- und Durchbruchstromverlaufs des Bauteils (2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) als elektrisch durchbruchfahiges Halbleiterbauteil (2) mit mindestens einem p-n-Ubergang ausgεbil- det ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) als tunneldurchbruchfähiges Bauteil (2) mit einer Isolationsschicht, beispielsweise einer Gateoxidschicht, zwischen zwei Leiterschichten ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) als Transistor, beispielsweise MOSFET-Transistor oder Bipolartransistor, oder als Diode, beispielsweise Zener-Diode, ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Speichereinrichtung (3) als Induktivität (3) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (4) als MOSFET-Schalter ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) als MOSFET- Transistor ausgebildet ist, der zugleich als Schalteinrichtung (4) verwendbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) einen durchbruch- fähigen Metall-Halbleiter-Übergang aufweist, insbesondere eine Schottky-Diode ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung als Oszil- loskop ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Auswerteinheit, die aus dem gemessenen Spannungs- und Stromverlauf den zugehörigen Temperaturverlauf des Bauteils (2) automatisch ermittelt.
11. Verfahren zum Messen von Betriebstemperaturen T3 eines elektrischen Bauteils (2), insbesondere transienter Tempera- turen T3 wahrεnd eines Durchbrucnbetπeoes , mit folgenden Schritten :
Aufnahme von Referenzmessdaten für eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Durchbruchspannung Uα und des Durcn- ßruchstromes I des Bauteils (2) oei vorbestimmten Bauteiltem- peraturen T;
Messen der Durchbruchspannung Uα und des Durchbruchstromes I des Bauteils (2) zu einem bestimmten Zeitpunkt tλ wahrend des Durchbrucnbetriebes mittels einer Messeinrichtung; und Ermitteln der Sperrschichttemperatur T3 zum Zeitpunkt tj. αurch Vergleichen der gemessenen Durchbruchspannung Ud und des Durchbruchstromes I mit den Referenzmessdaten.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme von Peferenzmessdaten bei vorbestimmten Bauteil- temperaturen T stationär durchgeführt wird, rfobei die vorbestimmten Bauteiltemperaturen T für das entsprechende Bauteil (2) geeignet gewählt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) mittels einer Heiz- /Kuhlεmrichtung homogen auf eine vorbestimmte Temperatur für die Aufnahme von Referenzmessdaten gebracht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme von Referenzmessdaten unmittelbar nach dem elektrischen Durchbruch des Bauteils (2) durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche II bis 14, dadurch gekennzeicn.net, dass die Sperrschichttemperatur T3 zum Zeitpunkt ti aus den Referenzmessdaten durch Interpolation gewonnen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnεt , dass das Bauteil (2) als elektrisch durch- bruchfähiges Halbleiterbauteil (2) mit mindestens einem p-n- Übεrgang ausgebildet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) als tunneldurchbruchf - higes Bauteil (2) mit einer Isolationsschicht, beispielsweise einer Gateoxidschicht, zwischen zwei Leiterschichten ausge- bildet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) einen durchbruchfähigen Metall-Halbleiter-Übergang aufweist, insbesondere eine Schottky-Diode ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) als Transistor, beispielsweise MOSFET-Transistor oder Bipolar-Transistor , oder als Diode, beispielsweise Zener-Diode, ausgebildet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung als Oszilloskop ausgebildet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Auswerteεinheit vorgesehen wird, die aus dem gemessenen Spannungs- und Stromverlauf den zugehörigen Temperaturverlauf des Bauteils (2) automa- tisch ermittelt.
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