利用半導體結點(diǎn)壓降測量結點(diǎn)溫度

半導體結點(diǎn)(從IC中數以百萬(wàn)計的晶體管到實(shí)現高亮度LED的大面積復合結點(diǎn))可能由于不斷產(chǎn)生的熱而在早期發(fā)生故障。當特征尺寸縮小且電流要求提高時(shí)，這將成為一個(gè)非常嚴重的問(wèn)題，甚至正常操作也可能聚積熱量，使結點(diǎn)溫度升高。溫度上升可能增加結點(diǎn)內的缺陷數量，從而導致器件的性能下降、生命周期縮短。

        因此，需要一種準確的溫度測量方法來(lái)測量半導體器件的溫度，以避免產(chǎn)生可能導致故障的高溫。有一種方法很簡(jiǎn)單，即測量結點(diǎn)溫度。它可以使用常用測試和測量?jì)x器，測量結果可被用來(lái)監視特定器件的工作狀況。測量結點(diǎn)溫度的理想方法是在盡可能離熱源近的地方監視器件溫度。流過(guò)半導體結點(diǎn)的電流產(chǎn)生熱，這些熱量經(jīng)過(guò)結點(diǎn)材料流向外部世界。測高儀 | 驗電筆 | 溫度記錄儀 | 真空表 | 粒子計數器 | 采樣儀 | 密度計 | 頻譜分析儀 | 流速儀 | 電能質(zhì)量分析儀 | 溫濕度記錄儀

        另一種方法是將溫度傳感器放在非�？拷�半導體結點(diǎn)的位置，并且測量傳感器的輸出信號。隨著(zhù)熱量流向外部區域，外部區域和傳感器的溫度升高。盡管這是一個(gè)很直接的過(guò)程，但由于傳感器尺寸有限，所以該方法具有許多物理上的限制。在很多情況下，傳感器本身比要測量的結點(diǎn)的尺寸大，這就會(huì )給系統增加大量的熱，同時(shí)帶來(lái)額外的測量誤差，從而降低測量準確度。因此，這種方法幾乎對大多數應用都沒(méi)有用。

 
圖1：在測試設置中，SMU被用來(lái)描述半導體的正向壓降與結點(diǎn)溫度的關(guān)系。

        一種更好的解決方法是利用結點(diǎn)本身作為溫度傳感器。對大多數材料來(lái)說(shuō)，結點(diǎn)正向壓降和結點(diǎn)溫度之間都存在密切的相關(guān)性。什么時(shí)候結點(diǎn)正向壓降與結點(diǎn)溫度呈非線(xiàn)性關(guān)系取決于結點(diǎn)的材料和設計。在溫度高達80°C至100°C的正常工作環(huán)境中，假設大多數材料的結點(diǎn)正向壓降與結點(diǎn)溫度為線(xiàn)性是安全的。非線(xiàn)性特性可以通過(guò)實(shí)驗方法來(lái)確定，即在更高的環(huán)境溫度下測量電壓，直到結點(diǎn)正向壓降與結點(diǎn)溫度為非線(xiàn)性。對于大多數器件而言，這種關(guān)系接近線(xiàn)性關(guān)系，可以用數學(xué)公式表達如下：

TJ=(m×VF)+T0 (1)

        其中，TJ=結點(diǎn)溫度(單位：°C)；m=斜率(與器件相關(guān)的參數，單位：°C/V)；VF=正向壓降；T0=截距(與器件相關(guān)的參數，單位：°C)。

        因此，在給定溫度下(TJ)下，半導體結點(diǎn)的正向壓降(VF)是一定的。如果我們在兩種不同的溫度下測量VF，則可以計算出某個(gè)結點(diǎn)的斜率(m)以及截距(T0)。由于這是一種線(xiàn)性關(guān)系，所以我們只需測量VF，就可以利用式(1)計算不同狀態(tài)下的結點(diǎn)溫度。

        如果知道不同工作狀態(tài)和封裝的器件的TJ，我們就能夠計算出不同封裝類(lèi)型和設計的熱參數，比如熱阻。這在設計特定工作條件以確保器件使用壽命最長(cháng)時(shí)顯得尤為重要，因為熱效應是早期器件故障的主要原因。
 

 
圖2：四線(xiàn)測量方法能減少引腳電阻導致的誤差。

測試方法

        在這個(gè)測試方法中，待測器件(DUT)被放置在溫度試驗箱內并與驅動(dòng)設備和測量設備相連。驅動(dòng)設備可能是可編程電流源和伏特計，但其它儀器可以同時(shí)提供電流和測量電壓，這些儀器通常被稱(chēng)為源測量單元(SMU)，它們可大大簡(jiǎn)化測量?jì)x器(圖1)。

        接下來(lái)，采用四線(xiàn)測量方法或者Kelvin測量方法將SMU與器件相連接。通過(guò)感應DUT周?chē)�而不是SMU輸入端的電壓，四線(xiàn)電壓測量能降低電壓測量中由引線(xiàn)電阻導致的誤差。圖2是四線(xiàn)測量的詳細連接圖。

        將DUT放置在環(huán)境試驗箱內，并將該試驗箱設定到初始溫度。初始點(diǎn)通常在25 °C下測量，然后讓DUT達到熱平衡�？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗來(lái)確定達到熱平衡所需的�？繒r(shí)間(dwell time)，但對于大多數封裝來(lái)說(shuō)，10分鐘應該足夠。

        一旦結點(diǎn)達到熱平衡，就提供DUT一個(gè)持續時(shí)間短的電流，并測量壓降。電流脈沖的持續時(shí)間和振幅非常重要，功率較大(電流過(guò)大或者脈沖過(guò)長(cháng))可能會(huì )使結點(diǎn)發(fā)熱，從而使結果產(chǎn)生偏差。

        許多情況下，待測結點(diǎn)的為硅或者復合二極管。對于這些類(lèi)型的器件，以幾毫安的驅動(dòng)電流和1 ms的源電流為試驗起點(diǎn)比較好。如果還不太確定，則利用具有極短脈沖(小于1ms)的源，用試驗的方法確定結點(diǎn)的自發(fā)熱。然后改變脈沖寬度并比較每個(gè)脈沖持續時(shí)間的電壓進(jìn)行試驗。1mV至2mV的電壓差通常表示結點(diǎn)溫度有1 °C的變化，這個(gè)測量電壓是TJ1 (25 °C )溫度下的VF1。

        然后溫度升高到一個(gè)更高的值(例如50°C)，讓DUT達到熱平衡，并再次給予電流脈沖。這個(gè)溫度下的電壓被標為T(mén)J2溫度(此例中為50°C )下的VF2。

        采用多個(gè)不同的值重復這些步驟，然后繪制電壓與結點(diǎn)溫度的關(guān)系圖(圖3)。在分析中，至少使用三個(gè)溫度對近似值的任何差異進(jìn)行檢查�，F在可以使用式(1)計算出這條直線(xiàn)的斜率(m)和截距：

TJ=(m × VF)+TO

TJ2-TJ1= m(VF2-VF1) (式1的點(diǎn)斜式)

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

然后通過(guò)外推法計算出TO：

TJ2-TJ1=m(VF2-VF1) (式1的點(diǎn)斜式)

將VF2設為0，則式2則變?yōu)椋?/P>

TJ2=TJ1-m VF1

這里的TJ2等于截距，或TO。

TO=TJ2=TJ1-mVF1

應用實(shí)例：高亮度LED

        這個(gè)例將開(kāi)發(fā)一種新的高亮度LED裸片。該器件被設計成能比以前單元承載更多電流，還需確保較高的熱流量以使結點(diǎn)溫度最低。這將保證在一些要求更高的應用中，該器件具有足夠長(cháng)的使用壽命。

        當連接LED裸片正極或負極的接合線(xiàn)斷掉時(shí)，通常會(huì )發(fā)生LED故障。斷線(xiàn)的常見(jiàn)原因是接合線(xiàn)的溫度循環(huán)，這是由散熱不足導致結點(diǎn)溫度升高而引起的。

將LED裸片放置在恒溫箱中并按照如前所述的測試計劃進(jìn)行測試，可得如下結果：

溫度為T(mén)J1 (25 °C )時(shí)，VF1=1.01V

溫度為T(mén)J2 (50 °C )時(shí)，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，描述該器件的結點(diǎn)溫度與前向電壓關(guān)系的一階等式為：

TJ=(-108.70°C/V)×VF)+134.79°C

現在，我們改變其它參數，如工作電流、環(huán)境溫度和封裝，并只測量VF就可確定實(shí)際的結點(diǎn)溫度。
 

 
圖3：結點(diǎn)溫度與正向壓降的線(xiàn)性關(guān)系。

誤差根源

        測量誤差的最大根源在于環(huán)境試驗箱中測量溫度的不確定性。這種測量通常采用熱電偶，而熱電偶的誤差為±2 °C甚至更高。將熱敏電阻或者電阻溫度檢測器(RTD)等更準確的熱測量傳感器放置在DUT附近，并且使用單獨的數字萬(wàn)用表來(lái)測量溫度，可提高測量的準確度。

        當計算結點(diǎn)溫度時(shí)，電壓測量的不確定性也會(huì )增加誤差。選擇具有高準確性和分辨率的儀器進(jìn)行電壓測量是盡量減小這種誤差的關(guān)鍵。

        結點(diǎn)溫度測量中的誤差還將影響其它的熱計算，如熱阻抗和熱電阻。因此，最小化這些誤差的關(guān)鍵是獲取準確的測量結果。

        從這個(gè)測量半導體結點(diǎn)溫度的簡(jiǎn)單方法中收集到的數據，可以被用來(lái)分析給定結點(diǎn)的熱消耗、環(huán)境和源狀態(tài)的效應。