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利用半导体结点压降测量结点温度

作者:时间:2017-10-14来源:网络收藏

  半导体结点(从IC中数以百万计的晶体管到实现高亮度的大面积复合结点)可能由于不断产生的热而在早期发生故障。当特征尺寸缩小且电流要求提高时,这将成为一个非常严重的问题,甚至正常操作也可能聚积热量,使结点温度升高。温度上升可能增加结点内的缺陷数量,从而导致器件的性能下降、生命周期缩短。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/366431.htm

  因此,需要一种准确的温度测量方法来测量半导体器件的温度,以避免产生可能导致故障的高温。有一种方法很简单,即测量结点温度。它可以使用常用测试和,测量结果可被用来监视特定器件的工作状况。测量结点温度的理想方法是在尽可能离热源近的地方监视器件温度。流过半导体结点的电流产生热,这些热量经过结点材料流向外部世界。

  另一种方法是将温度放在非常靠近半导体结点的位置,并且测量的输出信号。随着热量流向外部区域,外部区域和的温度升高。尽管这是一个很直接的过程,但由于尺寸有限,所以该方法具有许多物理上的限制。在很多情况下,本身比要测量的结点的尺寸大,这就会给系统增加大量的热,同时带来额外的测量误差,从而降低测量准确度。因此,这种方法几乎对大多数应用都没有用。

  图1:在测试设置中,SMU被用来描述半导体的正向压降与结点温度的关系。

  一种更好的解决方法是利用结点本身作为温度传感器。对大多数材料来说,结点正向压降和结点温度之间都存在密切的相关性。什么时候结点正向压降与结点温度呈非线性关系取决于结点的材料和设计。在温度高达80°C至100°C的正常工作环境中,假设大多数材料的结点正向压降与结点温度为线性是安全的。非线性特性可以通过实验方法来确定,即在更高的环境温度下测量电压,直到结点正向压降与结点温度为非线性。对于大多数器件而言,这种关系接近线性关系,可以用数学公式表达如下:

  TJ=(m×VF)+T0 (1)

  其中,TJ=结点温度(单位:°C);m=斜率(与器件相关的参数,单位:°C/V);VF=正向压降;T0=截距(与器件相关的参数,单位:°C)。

  因此,在给定温度下(TJ)下,半导体结点的正向压降(VF)是一定的。如果我们在两种不同的温度下测量VF,则可以计算出某个结点的斜率(m)以及截距(T0)。由于这是一种线性关系,所以我们只需测量VF,就可以利用式(1)计算不同状态下的结点温度。

  如果知道不同工作状态和封装的器件的TJ,我们就能够计算出不同封装类型和设计的热参数,比如热阻。这在设计特定工作条件以确保器件使用寿命最长时显得尤为重要,因为热效应是早期器件故障的主要原因。

  图2:四线测量方法能减少引脚电阻导致的误差。

  测试方法

  在这个测试方法中,待测器件(DUT)被放置在温度试验箱内并与驱动设备和测量设备相连。驱动设备可能是可编程电流源和伏特计,但其它仪器可以同时提供电流和测量电压,这些仪器通常被称为源测量单元(SMU),它们可大大简化(图1)。

  接下来,采用四线测量方法或者Kelvin测量方法将SMU与器件相连接。通过感应DUT周围而不是SMU输入端的电压,四线电压测量能降低电压测量中由引线电阻导致的误差。图2是四线测量的详细连接图。

  将DUT放置在环境试验箱内,并将该试验箱设定到初始温度。初始点通常在25 °C下测量,然后让DUT达到热平衡。可通过实验来确定达到热平衡所需的停靠时间(dwell time),但对于大多数封装来说,10分钟应该足够。

  一旦结点达到热平衡,就提供DUT一个持续时间短的电流,并测量压降。电流脉冲的持续时间和振幅非常重要,功率较大(电流过大或者脉冲过长)可能会使结点发热,从而使结果产生偏差。

  许多情况下,待测结点的为硅或者复合二极管。对于这些类型的器件,以几毫安的驱动电流和1 ms的源电流为试验起点比较好。如果还不太确定,则利用具有极短脉冲(小于1ms)的源,用试验的方法确定结点的自发热。然后改变脉冲宽度并比较每个脉冲持续时间的电压进行试验。1mV至2mV的电压差通常表示结点温度有1 °C的变化,这个测量电压是TJ1 (25 °C )温度下的VF1。

  然后温度升高到一个更高的值(例如50°C),让DUT达到热平衡,并再次给予电流脉冲。这个温度下的电压被标为TJ2温度(此例中为50°C )下的VF2。

  采用多个不同的值重复这些步骤,然后绘制电压与结点温度的关系图(图3)。在分析中,至少使用三个温度对近似值的任何差异进行检查。现在可以使用式(1)计算出这条直线的斜率(m)和截距:

  TJ=(m × VF)+TO

  TJ2-TJ1= m(VF2-VF1) (式1的点斜式)

  m=(TJ2-TJ1)/( VF2-VF1) (2)

  然后通过外推法计算出TO:

  TJ2-TJ1=m(VF2-VF1) (式1的点斜式)

  将VF2设为0,则式2则变为:

  TJ2=TJ1-m VF1

  这里的TJ2等于截距,或TO。

  TO=TJ2=TJ1-mVF1

  应用实例:高亮度

  这个例将开发一种新的高亮度裸片。该器件被设计成能比以前单元承载更多电流,还需确保较高的热流量以使结点温度最低。这将保证在一些要求更高的应用中,该器件具有足够长的使用寿命。

  当连接LED裸片正极或负极的接合线断掉时,通常会发生LED故障。断线的常见原因是接合线的温度循环,这是由散热不足导致结点温度升高而引起的。

  将LED裸片放置在恒温箱中并按照如前所述的测试计划进行测试,可得如下结果:

  温度为TJ1 (25 °C )时,VF1=1.01V

  温度为TJ2 (50 °C )时,VF2=0.78 V

  m=(50-25 )°C /(0.78-1.01)V=-108.70 °C/V

  TO=TJ1-mVF1=25 °C-(-108.70°C/V)×(1.01V)=134.79 °C

  因此,描述该器件的结点温度与前向电压关系的一阶等式为:

  TJ=(-108.70°C/V)×VF)+134.79°C

  现在,我们改变其它参数,如工作电流、环境温度和封装,并只测量VF就可确定实际的结点温度。

  图3:结点温度与正向压降的线性关系。

  误差根源

  测量误差的最大根源在于环境试验箱中测量温度的不确定性。这种测量通常采用热电偶,而热电偶的误差为±2 °C甚至更高。将热敏电阻或者电阻温度检测器(RTD)等更准确的热测量传感器放置在DUT附近,并且使用单独的数字万用表来测量温度,可提高测量的准确度。

  当计算结点温度时,电压测量的不确定性也会增加误差。选择具有高准确性和分辨率的仪器进行电压测量是尽量减小这种误差的关键。

  结点温度测量中的误差还将影响其它的热计算,如热阻抗和热电阻。因此,最小化这些误差的关键是获取准确的测量结果。

  从这个测量半导体结点温度的简单方法中收集到的数据,可以被用来分析给定结点的热消耗、环境和源状态的效应。



关键词: LED 传感器 测量仪器

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