王 雨，馮士維，史 冬，鄭 翔

(北京工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100124)

半導(dǎo)體器件工作溫升影響器件的電學(xué)特性和可靠性[1-2]。獲得半導(dǎo)體器件工作溫升數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)器件熱設(shè)計(jì)并提高可靠性有密不可分的關(guān)聯(lián)。在許多集成電路制造工藝中，電容和二極管并聯(lián)在一起并封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，電容無(wú)法拆卸，為獲得該管殼中二極管的工作溫升，一定要考慮電容的影響，因此研究封裝器件中電容對(duì)二極管工作溫升的影響至關(guān)重要。

在國(guó)際上測(cè)量二極管工作溫升的方法中因器件溫敏電學(xué)參數(shù)方法(電學(xué)法)的方便性快捷性與準(zhǔn)確性而應(yīng)用廣泛[3-4]。利用電學(xué)法進(jìn)行測(cè)量工作溫升的主流儀器有美國(guó)Analysis Tech Phase11及匈牙利MicRed公司生產(chǎn)的Mentor Graphics T3Ster。這些設(shè)備價(jià)格昂貴，而且，這些儀器只針對(duì)半導(dǎo)體器件測(cè)量，不能夠有效分析含有并聯(lián)電容影響的二極管工作溫升。因此，研究基于電學(xué)法測(cè)量工作溫升中并聯(lián)電容對(duì)二極管的影響具有實(shí)際意義。

本文基于電學(xué)法理論，有效分析了并聯(lián)電容對(duì)二極管工作溫升的影響。搭建二極管與電容并聯(lián)的被測(cè)器件，通過(guò)改變電容容量與加熱時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)獲得測(cè)量不同情況下被測(cè)器件的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線。通過(guò)分析不同情況下的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線，消除電容對(duì)二極管工作溫升的影響，提供有效獲取封裝器件中含有并聯(lián)電容的二極管工作溫升的方法。

1 電學(xué)法原理

電學(xué)法測(cè)量半導(dǎo)體器件工作溫升原理如下：半導(dǎo)體器件工作溫升定義為

ΔT=TJ-TX

(1)

其中，TJ是達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)器件結(jié)溫；TX是參考溫度，TJ-TX是工作穩(wěn)態(tài)時(shí)器件結(jié)到參考點(diǎn)的溫度差，即結(jié)溫升ΔT，也就是半導(dǎo)體器件的工作溫升，單位為℃。

如果在器件施加功率后，持續(xù)測(cè)量半導(dǎo)體器件結(jié)的溫度，即其瞬態(tài)溫度，就可得到半導(dǎo)體器件的瞬態(tài)溫升，式(1)則變?yōu)?/p>

ΔT(t)=TJ(t)-TX

(2)

電學(xué)法就是選取半導(dǎo)體器件的某一電學(xué)參數(shù)作為溫敏參數(shù)，對(duì)于二極管，溫敏參數(shù)是PN結(jié)正向?qū)妷航礫5]，利用溫敏參數(shù)與溫度的線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量不同環(huán)境溫度下溫敏參數(shù)值，即溫度校準(zhǔn)曲線，由式(3)就可得到溫度系數(shù)。半導(dǎo)體二極管溫度系數(shù)為負(fù)數(shù)。

(3)

計(jì)算得到溫度系數(shù)k之后，根據(jù)半導(dǎo)體器件加功率前后溫敏參數(shù)的變化計(jì)算出器件的工作溫升，由式(4)表示

(4)

采用開(kāi)關(guān)式(也稱(chēng)為脈沖式)方法[6-8]測(cè)量，此方法可以將電學(xué)操作導(dǎo)致的自熱效應(yīng)影響降到最低。由于電學(xué)法加熱狀態(tài)與測(cè)量狀態(tài)分離的特性，不可能一次性采集到器件的整個(gè)加熱響應(yīng)過(guò)程，采集整個(gè)冷卻時(shí)間階段的溫敏參數(shù)值，即Vf，得到其冷卻響應(yīng)曲線[9-12]。測(cè)量完溫度系數(shù)后，將器件放在恒溫平臺(tái)上，調(diào)節(jié)恒溫平臺(tái)溫度至約25 ℃，等待被測(cè)器件溫度恒定。先在被測(cè)器件兩端施加1 mA的測(cè)試電流，采集1 s加功率前的Vf作為參考電壓，然后在器件兩端加1 A的工作電流至工作電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)(施加工作電流的時(shí)間即為加熱時(shí)間)，然后切斷功率(開(kāi)關(guān)斷開(kāi))，同時(shí)在器件兩端施加1 mA的測(cè)試電流，并開(kāi)始采集整個(gè)冷卻過(guò)程中SiC[13]二極管兩端電壓[14]，在兩次測(cè)量結(jié)果的電壓差值即為ΔVf，通過(guò)式(4)就可以得到瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線[15-16]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文實(shí)驗(yàn)選用SiC二極管型號(hào)為G2S06004A-S。測(cè)量基本參數(shù)：溫度系數(shù)-1.5 mV/℃；功率2.17 W,測(cè)試電流1 mA，工作電流1 A。

將上述的二極管器件與電容并聯(lián)如圖1所示，首次選用15 μF的電容，測(cè)量AB兩點(diǎn)的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線如圖2中箭頭指示15 μF的曲線所示，橫坐標(biāo)為冷卻時(shí)間(即采集數(shù)據(jù)時(shí)間)，縱坐標(biāo)為節(jié)溫升。

圖1 被測(cè)電路

圖2 瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線

上圖箭頭指示0 μF的曲線為單獨(dú)二極管的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線(稱(chēng)為目標(biāo)曲線)，即沒(méi)有與電容并聯(lián)時(shí)所測(cè)的溫升為39.95 ℃，與電容并聯(lián)后，因受電容影響所測(cè)的溫升為32.43 ℃，總溫升損失7.52 ℃即18.8%。因此在電容無(wú)法拆卸的情況下，分析封裝器件中半導(dǎo)體器件電學(xué)特性與可靠性造成阻礙，研究如何使電容影響降低到最小具有重要意義。

圖中箭頭指示15 μF的曲線在冷卻時(shí)間初始呈現(xiàn)水平直線，這是與測(cè)試儀硬件電路量程有關(guān)，并不影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析。

2.1 電容容量對(duì)封裝器件工作溫升影響

依次改變電容容量進(jìn)行測(cè)量，將所測(cè)的溫度響應(yīng)曲線繪制圖3。

圖3 二極管并聯(lián)電容的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線

當(dāng)并聯(lián)電容為0.01 μF、0.1 μF時(shí)，由于電容值小所以對(duì)器件測(cè)量影響較小，溫升損失在5 ℃范圍內(nèi)。并聯(lián)電容為1 μF、2.2 μF、15 μF時(shí)溫升曲線有明顯變化并呈現(xiàn)規(guī)律性，整體趨勢(shì)為先上升后下降。實(shí)驗(yàn)有兩點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：第一，并聯(lián)電容值越大，溫升曲線與目標(biāo)曲線剛開(kāi)始相交的時(shí)間值越大(從左至右ABC點(diǎn))，即損失的總溫升越大；第二，當(dāng)并聯(lián)電容后的溫升曲線與目標(biāo)曲線開(kāi)始相交后，所有數(shù)據(jù)趨于重合。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電學(xué)法測(cè)溫升的原理，合理推測(cè)，在采集數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電容瞬間放電加在二極管兩端上，影響二極管本身在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電壓值。電容值越大，放電時(shí)間越長(zhǎng)，損失溫升越大。當(dāng)電容放電結(jié)束時(shí)，二極管兩端電壓恢復(fù)正常。電容的影響體現(xiàn)在采集時(shí)間的前一部分，采集時(shí)間后半段無(wú)影響。根據(jù)電學(xué)法原理公式(4)，可由溫度響應(yīng)曲線得到電壓差曲線，如圖4所示。

圖4 二極管并聯(lián)電容的電壓差曲線

由圖4可知，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，并聯(lián)電容的二極管兩端電壓相比無(wú)電容時(shí)大。進(jìn)行模擬仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 電路仿真與驗(yàn)證

用Multisim進(jìn)行仿真，首先對(duì)單獨(dú)的二極管1N4001進(jìn)行仿真，如圖5中左圖所示，階躍電流源1SEC作為信號(hào)發(fā)生源，初始電平為1 A，最終電平為1 mA，步進(jìn)時(shí)間為1 s，示波器采集電壓為V1；其次在相同條件下，選用15 μF電容與二極管并聯(lián)，示波器采集電壓為V2，電路圖如圖5右側(cè)所示。

圖5 二極管仿真電路與二極管并聯(lián)電容仿真電路

示波器的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示，可以得知：在沒(méi)有電容的情況下，二極管兩端電壓V1從高電平935.59 mV下降到低電平535.450 mV用時(shí)142.854 μ s，用時(shí)短，但當(dāng)二極管與15 μF的電容并聯(lián)時(shí)從高電平降低到低電平用時(shí)7.323 ms。電容對(duì)二極管在高低電流切換時(shí)(開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí))產(chǎn)生影響，因電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)的用時(shí)延長(zhǎng)所以在同一時(shí)刻并聯(lián)電容的二極管兩端電壓值比無(wú)電容時(shí)大。例如表中在1.000 142 854 s時(shí)V2電壓為646.3 mV，高于V1。

表1 示波器仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知在切換電流時(shí)，因有并聯(lián)電容的存在，電容放電，使得在同一時(shí)刻器件兩端電壓值增大。

由電學(xué)法測(cè)量工作溫升的基本原理可知二極管與電容并聯(lián)后，所加的工作電流先給電容充電，進(jìn)行溫升測(cè)量時(shí)即由工作電流切換到測(cè)試電流時(shí)，電容進(jìn)行放電，所放的電量淹沒(méi)二極管在電流切換時(shí)的實(shí)際電壓值，與電容并聯(lián)時(shí)所測(cè)得的電壓差值比單獨(dú)二極管時(shí)大。因二極管的溫度系數(shù)為負(fù)值，所以電壓差越大結(jié)溫越小，所測(cè)得最初溫升值比沒(méi)有電容時(shí)小。又因電容兩端電壓不能突變，所以在電容放電時(shí)器件兩端電壓值逐漸減小，電壓差減小，溫升值升高。溫升值達(dá)到最高值時(shí)就是器件兩端電流為測(cè)試電流的時(shí)刻，隨后器件兩端的結(jié)溫下降，溫升值下降。故所測(cè)得的瞬態(tài)溫度相應(yīng)曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，如圖2中箭頭指示15 μF的曲線所示。

2.3 加熱時(shí)間對(duì)器件工作溫升影響

在封裝器件中電容無(wú)法拆卸，電容影響不可避免，因要獲取的二極管工作溫升是由于加熱時(shí)間引起，故從改變加熱時(shí)間長(zhǎng)度考慮，提取二極管工作溫升信息。

以15 μF的電容與二極管并聯(lián)作為被測(cè)器件，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，當(dāng)加熱時(shí)間由原10 s分別減小到1 s、50 ms、10 ms、1 ms、100 μs、10 μs進(jìn)行測(cè)試。

圖6中圖例0μF&10s表示沒(méi)有并聯(lián)電容的二極管加熱時(shí)間10秒；15μF&10s表示二極管與15 μF電容并聯(lián)作為被測(cè)器件，加熱時(shí)間10 s。

圖6 加熱時(shí)間不同的電壓差曲線

圖中并聯(lián)電容時(shí)，當(dāng)加熱時(shí)間短時(shí)對(duì)器件不產(chǎn)生溫升或產(chǎn)生較少溫升時(shí)，加熱時(shí)間短的曲線比加熱10 s的電壓差值高。其中加熱10 μs時(shí)，可視為電容還未充電完全，也沒(méi)產(chǎn)生溫升，所以測(cè)得在切換電流之后電壓值基本無(wú)變化，電壓差約0 V。

理想情況找到電容完全充滿(mǎn)電，但對(duì)器件不產(chǎn)生明顯溫升的加熱時(shí)間(臨界時(shí)間)，例如加熱時(shí)間為100 μs。用加熱10 s的數(shù)據(jù)(有電容影響有溫升影響)與該臨界時(shí)間的數(shù)據(jù)(有電容影響無(wú)溫升影響)做差值，進(jìn)而把電容產(chǎn)生的影響減掉，提取器件單純由于器件升溫而產(chǎn)生的電壓差值，如圖7補(bǔ)償電壓差曲線所示。

圖7 補(bǔ)償電壓差曲線

此補(bǔ)償結(jié)果與0μF&10s的曲線接近，使電容影響減到最小。根據(jù)電學(xué)法原理公式(4)將補(bǔ)償?shù)碾妷翰钪涤?jì)算為溫升值并作圖8，從圖8可以看出補(bǔ)償后的溫升曲線與目標(biāo)曲線大致相同，溫升值相差1.10 ℃，溫升值降低2.75%。存在誤差的原因有兩個(gè)，第一在臨界時(shí)間內(nèi)電容還沒(méi)有充滿(mǎn)電；第二臨界時(shí)間內(nèi)使使器件產(chǎn)生較少溫升。

圖8 補(bǔ)償溫升曲線

解決封裝器件中受并聯(lián)電容影響二極管工作溫升損失的問(wèn)題，需要改變加熱時(shí)間長(zhǎng)短，對(duì)封裝器件測(cè)兩次工作溫升，將兩次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行算法補(bǔ)償，成功提取二極管的工作溫升。此方法需要提升測(cè)試儀硬件響應(yīng)速度與添加測(cè)試儀軟件算法補(bǔ)償。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)電學(xué)法測(cè)量工作溫升的原理，利用Multisim進(jìn)行電容放電仿真，研究封裝器件中并聯(lián)電容對(duì)二極管在工作溫升上的影響。重點(diǎn)分析了在不同加熱時(shí)間下二極管與電容并聯(lián)的瞬態(tài)溫升情況，找到使電容充電完全又不產(chǎn)生明顯溫升的加熱時(shí)間。提出數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)姆椒▽㈦娙莸挠绊懴?，獲得單純二極管瞬態(tài)工作溫升，解決了因并聯(lián)電容而使所測(cè)半導(dǎo)體器件溫升損失的問(wèn)題。補(bǔ)償結(jié)果誤差在1.10 ℃范圍內(nèi)，使因電容影響造成的溫升損失減少85.35%。此研究方法對(duì)測(cè)量集成電路封裝器件中半導(dǎo)體元器件工作溫升有重要意義。再進(jìn)一步探究中，可考慮臨界時(shí)間的確定，對(duì)于批次量生產(chǎn)的此類(lèi)封裝器件，并聯(lián)電容容量與臨界時(shí)間是否存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便工廠獲取批次量生產(chǎn)的此類(lèi)封裝器件中二極管的工作溫升。

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