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利用半导体结点压降测量结点温度

2010-08-02 15:16
龙凰
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        半导体结点(从IC中数以百万计的晶体管到实现高亮度LED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。

        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仪器,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传感器放在非常靠近半导体结点的位置,并且测量传感器的输出信号。随着热量流向外部区域,外部区域和传感器的温度升高。尽管这是一个很直接的过程,但由于传感器尺寸有限,所以该方法具有许多物理上的限制。在很多情况下,传感器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),它们可大大简化测量仪器(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。

 

 

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