專利名稱：半導體pn結二極管器件的溫升測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
該技術屬于微電子技術中，半導體器件測量技術領域。該發明主要應用于半導體PN結器件(半導體發光管、半導體激光器和其它半導體二極管器件)的工作溫升的測量。
背景技術：
半導體器件，特別是功率半導體器件工作時，會產生大量的熱，致使半導體PN結處的溫度升高。這將加速半導體器件的性能惡化。如工作壽命變短和器件的性能變差。影響半導體器件溫升的因素一方面與器件工作時產生的熱量有關；對于基于PN結發光器件還與其發光效率有關。施加電功率一定，發光效率越大，用于產生熱量的功率就越少；另一因素則與從PN結處到周圍環境散熱的路程中，各環節材料散熱特性相關。一般為半導體材料的芯片、焊料、熱沉和封裝管殼。準確測量出半導體器件工作時PN結處的溫升一方面可以分析器件的材料質量和封裝散熱特性，另一方面也是實際應用設計中必須了解的重要參數。
目前測量半導體PN結器件溫升和熱阻的方法主要有紅外熱像儀法，通過表面的溫度分布，測量出半導體器件的溫升和熱阻。對于發光器件，可以利用發光波長隨溫度的變化，測量其內部的溫升。但這些測量技術操作復雜，測量周期長，有的器件還需打開器件管冒，帶來一定的破壞性。
發明內容
本發明的主要發明點在于利用快速脈沖技術，發明了一種非破壞性測量半導體PN二極管瞬態和穩態工作溫升及熱阻的方法和裝置，特別是可以測量出半導體PN結器件加功率后，PN結處溫度隨時間的上升過程，即瞬態加熱響應曲線。通過該曲線可以分辨出器件的主要熱阻構成。
本發明提供的一種半導體PN結二極管器件的溫升和熱阻測量裝置，其特征在于，包括以下部分，方框圖見圖1首先被測器件401放置在可調溫的恒溫平臺403上；計算機100是實施測量的中心，測量指令的發送、測量數據傳輸和保存均由計算機100控制完成；計算機100通過總線接口200接出采集器205；采集器205分成三路，連接到一個可計算機控制的三路開關303，完成三個穩態工作電參數的采集一路直接通過三路開關303，接到被測器件401，直接采集401兩端的電壓；從采集器205引出的第二條線串接一個測試電流采樣電阻501后，接入三路開關303，再從三路開關303接入到測試電流源201；采集測試電流采樣電阻501上電壓，得到被測器件401的測試電流；測試電流源201的一端要接到接口200，接受由計算機100設定的工作電流指令；201的另一端接到電流開關301；從采集器205引出的第三條線串接一個工作電流采樣電阻502后，接入三路開關303，再從三路開關303接入到工作電流源202；采集工作電流采樣電阻的電壓，得到被測器件401的工作電流；工作電流源202的一端接到接口200，接受由計算機100設定的工作電流指令；工作電流源202另一端接到電流控制開關301；電流控制開關301的輸入兩端分別接入從測試電流源201輸出的測試電流和從工作電流源202輸出的工作電流；兩輸出端一端接到參考負載402，一端接到被測器件401；另外一個控制端接到時序發生器203；由計算機設定的從測試電流源201輸出的測試電流，在測量過程中，一直經過電流控制開關301，輸出到被測器件401上；由計算機100設定的從工作電流源202輸出的工作電流，受電流控制開關301的控制端，從時序發生器203輸出過來的時序控制；時序發生器203一端接到接口200，接受由計算機100設定的指令；當器件工作時，電流輸出到被測器件401上；測量時，該電流則流向參考負載402；被測器件401兩端在測試電流下的電壓是由采樣頻率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，接受和發送指令和數據從或者到計算機100，一端接到高速截取放大器302；高速截取放大器302接到被測器件401；高速截取放大器302的功能是截取掉大部分不變化的成分，有效放大隨溫度變化的部分，保證測量的精度；測試電流下被測器件401兩端的電壓經高速截取放大器302截取放大后，由高速采集器204采集并傳到計算機100，顯示出采集的電壓波形。
高速截取放大器302接出了參考電壓電位器304。未接參考電壓電位器304時，針對一種結電壓的器件，截取的電壓是固定的。當器件的結電壓變化較大，或不同器件時，截取的部分過少、或過多都不能有效放大隨溫度變化的部分。這樣會犧牲測量精度。增加參考電壓電位器304后，無論什么器件，通過計算機顯示器采集的波形，調節電位器，選定要截取的結電壓部分。這樣不受結電壓變化的影響，每次都能充分保證利用放大器的放大區間。
使用上述連接的裝置，測量被測器件401溫度系數的方法1將被測器件401接觸放置在可調溫度的恒溫平臺403上；接好被測器件401上的兩端導線；設恒溫平臺的溫度為T1；2通過計算機100設置工作電流為零，設置一個控制脈沖；該控制脈沖在時間上有高低電平兩種狀態；高電平持續的時間為tH，低電平持續時間為tL；該電流脈沖在時間上是持續重復的；參考圖2；3計算機100通過接口200，在控制脈沖每次由高電平向低電平轉換的下降沿，觸發高速采集器204，采集經高速截取放大器302，截取、放大被測器件401在測試電流下的兩端電壓；4高速截取放大器302固定截取、放大被測器件401兩端電壓中含有隨溫度變化的部分，輸出給高速采集器204；由于每次控制脈沖的下降沿都觸發采集被測器件401兩端的電壓，可通過計算機采集多次后，再做平均，得到T1溫度下，未加工作電流時，測試電流下的401兩端電壓Vpn1，經接口200傳到計算機100，并顯示采集的結電壓波形；5將恒溫平臺升高溫度到T2，重復步驟3、步驟4測量相同測試電流下的端電壓Vpn2，其溫度系數是＝(Vpn2-Vpn1)/(T2-T1)；即溫度每升高一度測試電流下PN結電壓的改變量；或者選擇多次改變恒溫平臺溫度，重復步驟3、4的測量；然后利用最小二乘法計算出溫度系數。選擇多次改變恒溫平臺溫度可以提高溫度系數精度。溫度系數測量后，數據存盤。只要保持相同的測試電流，溫度系數就可以使用。
在步驟4中，當使用增加的參考電壓電位器304時，通過調節電位器，在計算機100顯示的結電壓波形中，選定截取放大的部分；這樣可以充分截取測試電流下，被測器件401兩端電壓中隨溫度變化部分，提高測量精度；一旦選定參考電壓電位器304后，就不可再調節304的電阻值。
使用上述連接的裝置，測量被測器件溫升和熱阻的方法I、將被測器件401接觸放置在可調溫度的恒溫平臺403上；連接好被測器件401兩根導線；設恒溫平臺溫度為T0；II、保持與測量溫度系數相同的測試電流下，通過計算機100設定工作電流為零，設置一個控制脈沖；該控制脈沖在時間上有高低電平兩種狀態；高電平持續的時間為tH，低電平持續時間為tL；該電流脈沖在時間上是持續重復的；參考圖2；計算機100通過接口200，在控制脈沖每次由高電平向低電平轉換的下降沿，觸發高速采集器204，采集經高速截取放大器302，截取、放大被測器件401在T0溫度下，未加工作電流時，測試電流下的兩端電壓；由于每個下降沿都觸發采集被測器件401兩側的電壓，可以采集多次，再做平均得到V1；參考圖3。
III、通過計算機100設定加工作電流脈沖；該脈沖從0到t1時間段，工作電流為零，只有測試電流I0；t1時刻開始，該電流脈沖為工作電流Iw和測試電流I0之和；到t2時刻，加載的工作電流為零，工作電流的持續時間段為tH；參考圖4；IV、執行測量程序；計算機100發送指令經接口200到時序發生器203，執行電流脈沖的0-t1時間段，此時只有測試電流通過被測器件401；當t1時刻到達后，計算機100發送指令經接口200到時序發生器203，執行電流脈沖的t1-t2時間段，工作電流和測試電流疊加后加載到被測器件401；工作電壓為V2；此時工作電流使被測器件溫度升高；V、當t2時刻到達后，計算機100控制電流控制開關301處的電流流向參考負載402；同時觸發高速采集器204，采集經高速截取放大器302，截取、放大被測器件401在工作電流持續時間tH時間段內，由于加載電功率引起溫升后，測試電流下的兩端電壓V3；參考圖4；VI、測得的V3與步驟II測得的V1差就是由于工作電流產生溫升，帶來的變化；隨時間增加，V3與V1的差變小，逐漸趨于零；V3與V1的差V3-V1，再除以溫度系數α就是測量的設定工作電流和設定的工作電流施加時間段tH內，使被測器件401的產生的溫升，ΔT＝(V3-V1)/α；VII、被測器件401工作時電流和電壓的采集，是將步驟III中工作電流脈沖中的tH設定為超過5分鐘，使之為穩定直流工作；運行執行程序；此時由計算機100控制三路開關303、采集器205采集分別采集被測器件401兩端的電壓V2、工作電流Iw測試電流I0，并輸出到計算機100；采集后，計算機100控制工作電流為零；對于非發光器件，施加的功率＝V2×Iw，溫升除以功率就是熱阻，Rth＝ΔT/(V2×Iw)。
在步驟II和V中，當使用增加的參考電壓電位器304時，通過調節電位器，在計算機100顯示的結電壓波形中，選定截取放大的部分，輸出到高速采集器204；這樣可以充分截取測試電流下，被測器件401兩端電壓中隨溫度變化部分，提高測量精度。
在步驟III中，由于t2的值可以由計算機設定，可以設定一個n次測量組；該測量組中，每次除了tH增加外，其余不變，即tH1，tH2，tH3，。。。tHn；其中n為1，2……自然數；電流持續時間tH值從幾個微秒，增加到幾百秒；參考圖5；每個tHn下，都能測得一個溫升ΔTn；以ΔT為縱坐標，以工作電流持續時間tH為橫坐標繪出曲線；該曲線就是被測器件401施加電流后，內部溫度升高隨時間的變化過程，即加熱響應曲線；參考圖6；通過該曲線可以獲得很多被測器件的散熱性質；對于非發光器件也可以用熱阻Rth為縱坐標，tH為橫坐標，繪制Rth與tH曲線。
圖1測試裝置結構方框2控制脈沖時序3施加工作電流前后，被測器件兩端測試電流下和工作電流下的電壓圖4加工作電流的時序脈沖圖5一個n次測量組的時序脈沖圖6加熱響應曲線的示意圖
具體實施例方式
首先被測器件401放置在可調溫的恒溫平臺403上，恒溫平臺可以使用半導體致冷器構成。計算機100是實施測量的中心，測量指令的發送、測量數據傳輸和保存均由計算機100控制完成，計算機可使用IBM系列兼容機。計算機100通過總線接口200接出采集器205，總線接口可使用74HC245構成，采集器可使用高速AD轉換器AD574。采集器205分成三路，連接到一個可計算機控制的三路開關303，三路開關可使用IRF530構成，完成三個穩態工作電參數的采集一路直接通過三路開關303，接到被測器件401，直接采集401兩端的電壓；從采集器205引出的第二條線串接一個測試電流采樣電阻501后，采樣電阻可使用低溫度系數的合金帶電阻，接入三路開關303，再從三路開關303接入到測試電流源201，測試電流源使用OP07和IRF9530構成。采集測試電流采樣電阻501上電壓，得到被測器件401的測試電流。測試電流源201的一端要接到接口200，接受由計算機100設定的工作電流指令。201的另一端接到電流開關301，電流開關可以使用IRF530構成；從采集器205引出的第三條線串接一個工作電流采樣電阻502后，采樣電阻同樣使用低溫度系數的合金帶電阻，接入三路開關303，再從三路開關303接入到工作電流源202，工作電流源使用OP07和IRF9530構成。采集工作電流采樣電阻的電壓，得到被測器件401的工作電流。工作電流源202的一端接到接口200，接受由計算機100設定的工作電流指令。工作電流源202另一端接到電流控制開關301。
電流控制開關301的輸入兩端分別接入從測試電流源201輸出的測試電流和從工作電流源202輸出的工作電流；兩輸出端一端接到參考負載402，參考負載使用與被測器件具有相近的正向壓降的器件，一端接到被測器件401；另外一個控制端接到時序發生器203，時序發生器可由單片機MCS-51構成。由計算機設定的從測試電流源201輸出的測試電流，在測量過程中，一直經過電流控制開關301，輸出到被測器件401上。由計算機100設定的從工作電流源202輸出的工作電流，受電流控制開關301的控制端，從時序發生器203輸出過來的時序控制。當器件工作時，電流輸出到被測器件401上；測量時，該電流則流向參考負載402。
被測器件401兩端在測試電流下的電壓是由采樣頻率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轉換器AD574。采集器204一端接到接口200，接受和發送指令和數據從或者到計算機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運算放大器OPA643構成。高速截取放大器302接到被測器件401。高速截取放大器302的功能是截取掉大部分不變化的成分，有效放大隨溫度變化的部分，保證測量的精度。測試電流下被測器件401兩端的電壓經高速截取放大器302截取放大后，由高速采集器204采集并傳到計算機100，顯示出采集的電壓波形。
高速截取放大器302接出了參考電壓電位器304，參考電壓電位器可用精密多圈電位器構成。
本發明的半導體PN結二極管器件的溫升和熱阻測量方法的具體實施方式
如前所述，本處不再贅述。
權利要求
1.一種半導體PN結二極管器件的溫升和熱阻測量裝置，其特征在于，包括以下部分被測器件(401)放置在可調溫的恒溫平臺(403)上；計算機(100)是實施測量的中心，測量指令的發送、測量數據傳輸和保存均由計算機(100)控制完成；計算機(100)通過總線接口(200)接出采集器(205)；采集器(205)分成三路，連接到一個可計算機控制的三路開關(303)，完成三個穩態工作電參數的采集一路直接通過三路開關(303)，接到被測器件(401)，直接采集(401)兩端的電壓；從采集器(205)引出的第二條線串接一個測試電流采樣電阻(501)后，接入三路開關(303)，再從三路開關(303)接入到測試電流源(201)；采集測試電流采樣電阻(501)上電壓，得到被測器件(401)的測試電流；測試電流源(201)的一端要接到接口(200)，接受由計算機(100)設定的工作電流指令；(201)的另一端接到電流開關(301)；從采集器(205)引出的第三條線串接一個工作電流采樣電阻(502)后，接入三路開關(303)，再從三路開關(303)接入到工作電流源(202)；采集工作電流采樣電阻的電壓，得到被測器件(401)的工作電流；工作電流源(202)的一端接到接口(200)，接受由計算機(100)設定的工作電流指令；工作電流源(202)另一端接到電流控制開關(301)；電流控制開關(301)的輸入兩端分別接入從測試電流源(201)輸出的測試電流和從工作電流源(202)輸出的工作電流；兩輸出端一端接到參考負載(402)，一端接到被測器件(401)；另外一個控制端接到時序發生器(203)；由計算機設定的從測試電流源(201)輸出的測試電流，在測量過程中，一直經過電流控制開關(301)，輸出到被測器件(401)上；由計算機(100)設定的從工作電流源(202)輸出的工作電流，受電流控制開關(301)的控制端，從時序發生器(203)輸出過來的時序控制；時序發生器(203)一端接到接口(200)，接受由計算機(100)設定的指令；當器件工作時，電流輸出到被測器件(401)上；測量時，該電流則流向參考負載(402)；被測器件(401)兩端在測試電流下的電壓是由采樣頻率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)，接受和發送指令和數據從或者到計算機(100)，一端接到高速截取放大器(302)；高速截取放大器(302)接到被測器件(401)；測試電流下被測器件(401)兩端的電壓經高速截取放大器(302)截取放大后，由高速采集器(204)采集并傳到計算機(100)，顯示出采集的電壓波形。
2.根據權利要求1所述的半導體PN結二極管器件的溫升和熱阻測量裝置，其特征在于，高速截取放大器(302)接出參考電壓電位器(304)。
3.使用權利要求1所述的半導體PN結二極管器件的溫升和熱阻測量裝置，測量被測器件(401)溫度系數的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將被測器件(401)接觸放置在可調溫度的恒溫平臺(403)上；接好被測器件(401)上的兩端導線；設恒溫平臺的溫度為T1；2)通過計算機(100)設置工作電流為零，設置一個控制脈沖；該控制脈沖在時間上有高低電平兩種狀態；高電平持續的時間為tH，低電平持續時間為tL；該電流脈沖在時間上是持續重復的；3)計算機(100)通過接口(200)，在控制脈沖每次由高電平向低電平轉換的下降沿，觸發高速采集器(204)，采集經高速截取放大器(302)，截取、放大被測器件(401)在測試電流下的兩端電壓；4)高速截取放大器(302)固定截取、放大被測器件(401)兩端電壓中含有隨溫度變化的部分，輸出給高速采集器(204)；由于每次控制脈沖的下降沿都觸發采集被測器件(401)兩端的電壓，可通過計算機采集多次后，再做平均，得到T1溫度下，未加工作電流時，測試電流下的(401)兩端電壓Vpn1，經接口(200)傳到計算機(100)，并顯示采集的結電壓波形；5)將恒溫平臺升高溫度到T2，重復步驟3、步驟4測量相同測試電流下的端電壓Vpn2，其溫度系數是α＝(Vpn2-Vpn1)/(T2-T1)；即溫度每升高一度測試電流下PN結電壓的改變量；或者選擇多次改變恒溫平臺溫度，重復步驟3、4的測量；然后利用最小二乘法計算出溫度系數。
4.根據權利要求3所述的測量被測器件(401)溫度系數的方法，其特征在于，在步驟4中，當使用增加的參考電壓電位器(304)時，通過調節電位器，在計算機(100)顯示的結電壓波形中，選定截取放大的部分。
5.使用權利要求1所述的半導體PN結二極管器件的溫升和熱阻測量裝置，測量被測器件溫升和熱阻的方法，其特征在于，包括以下步驟I、將被測器件(401)接觸放置在可調溫度的恒溫平臺(403)上；連接好被測器件(401)兩根導線；設恒溫平臺溫度為T0；II、保持與測量溫度系數相同的測試電流下，通過計算機(100)設定工作電流為零，設置一個控制脈沖；該控制脈沖在時間上有高低電平兩種狀態；高電平持續的時間為tH，低電平持續時間為tL；該電流脈沖在時間上是持續重復的；計算機(100)通過接口(200)，在控制脈沖每次由高電平向低電平轉換的下降沿，觸發高速采集器(204)，采集經高速截取放大器(302)，截取、放大被測器件(401)在T0溫度下，未加工作電流時，測試電流下的兩端電壓；由于每個下降沿都觸發采集被測器件(401)兩側的電壓，可以采集多次，再做平均得到V1；III、通過計算機(100)設定加工作電流脈沖；該脈沖從0到t1時間段，工作電流為零，只有測試電流I0；t1時刻開始，該電流脈沖為工作電流Iw和測試電流I0之和；到t2時刻，加載的工作電流為零，工作電流的持續時間段為tH；IV、執行測量程序；計算機(100)發送指令經接口(200)到時序發生器(203)，執行電流脈沖的0-t1時間段，此時只有測試電流通過被測器件(401)；當t1時刻到達后，計算機(100)發送指令經接口(200)到時序發生器(203)，執行電流脈沖的t1-t2時間段，工作電流和測試電流疊加后加載到被測器件(401)；工作電壓為V2；此時工作電流使被測器件溫度升高；V、當t2時刻到達后，計算機(100)控制電流控制開關(301)處的電流流向參考負載(402)；同時觸發高速采集器(204)，采集經高速截取放大器(302)，截取、放大被測器件(401)在工作電流持續時間tH時間段內，由于加載電功率引起溫升后，測試電流下的兩端電壓V3；VI、測得的V3與步驟II測得的V1差就是由于工作電流產生溫升，帶來的變化；隨時間增加，V3與V1的差變小，逐漸趨于零；V3與V1的差V3-V1，再除以溫度系數α就是測量的設定工作電流和設定的工作電流施加時間段t3-t2內，使被測器件(401)的產生的溫升，ΔT＝(V3-V1)/α；VII、被測器件(401)工作時電流和電壓的采集，是將步驟III中工作電流脈沖中的tH設定為超過5分鐘，使之為穩定直流工作；運行執行程序；此時由計算機(100)控制三路開關(303)、采集器(205)采集分別采集被測器件(401)兩端的電壓V2、工作電流Iw和測試電流I0，并輸出到計算機(100)；采集后，計算機(100)控制工作電流為零；對于非發光器件，施加的功率＝V2×Iw，溫升除以功率就是熱阻，Rth＝ΔT/(V2×Iw)；
6.根據權利要求5所述的測量被測器件溫升和熱阻的方法，其特征在于，在步驟II和V中，當使用增加的參考電壓電位器(304)時，通過調節電位器，在計算機(100)顯示的結電壓波形中，選定截取放大的部分，輸出到高速采集器(204)。
7.根據權利要求5所述的測量被測器件溫升和熱阻的方法，其特征在于，在步驟III中，t2的值由計算機設定，設定一個n次測量組；該測量組中，每次除了tH增加外，其余不變，即tH1，tH2，tH3，。。。tHn；其中n為1，2……自然數；電流持續時間tH值從幾個微秒，增加到幾百秒；每個tHn下，測得一個溫升ΔTn；以ΔT為縱坐標，以工作電流持續時間tH為橫坐標繪出曲線；該曲線就是被測器件401施加電流后，內部溫度升高隨時間的變化過程，即加熱響應曲線；對于非發光器件用熱阻Rth為縱坐標，tH為橫坐標，繪制Rth與tH曲線。
全文摘要
本發明屬半導體器件測量領域。目前溫升和熱阻測量操作復雜，周期長，有的有破壞性。本發明裝置被測器件(401)放在恒溫平臺(403)上；計算機(100)通過接口(200)接采集器(205)；(205)分三路一路接三路開關(303)，接到被測器件(401)；二路接采樣電阻(501)后接三路開關(303)，再接測試電流源(201)；(201)的一端接接口(200)，一端接電流開關(301)；三路接采樣電阻(502)后接三路開關(303)，再接工作電流源(202)；(202)的一端接接口(200)，一端接電流控制開關(301)；(301)輸入兩端接測試電流源(201)和工作電流源(202)；輸出端接參考負載(402)和被測器件(401)，控制端接時序發生器(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)。本發明非破壞性，可測瞬態加熱響應曲線，從而分辨出器件熱阻構成。
文檔編號H01L21/66GK1743864SQ20051011267
公開日2006年3月8日 申請日期2005年10月14日 優先權日2005年10月14日
發明者馮士維, 謝雪松, 呂長志, 程堯海 申請人:北京工業大學