利用半導(dǎo)體結(jié)點壓降測量結(jié)點溫度

　　半導(dǎo)體結(jié)點（從IC中數(shù)以百萬計的晶體管到實現(xiàn)高亮度LED的大面積復(fù)合結(jié)點）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，這將成為一個非常嚴重的問題，甚至正常操作也可能聚積熱量，使結(jié)點溫度升高。溫度上升可能增加結(jié)點內(nèi)的缺陷數(shù)量，從而導(dǎo)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測量半導(dǎo)體器件的溫度，以避免產(chǎn)生可能導(dǎo)致故障的高溫。有一種方法很簡單，即測量結(jié)點溫度。它可以使用常用測試和測量儀器，測量結(jié)果可被用來監(jiān)視特定器件的工作狀況。測量結(jié)點溫度的理想方法是在盡可能離熱源近的地方監(jiān)視器件溫度。流過半導(dǎo)體結(jié)點的電流產(chǎn)生熱，這些熱量經(jīng)過結(jié)點材料流向外部世界。

　　另一種方法是將溫度傳感器放在非常靠近半導(dǎo)體結(jié)點的位置，并且測量傳感器的輸出信號。隨著熱量流向外部區(qū)域，外部區(qū)域和傳感器的溫度升高。盡管這是一個很直接的過程，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(jié)點的尺寸大，這就會給系統(tǒng)增加大量的熱，同時帶來額外的測量誤差，從而降低測量準確度。因此，這種方法幾乎對大多數(shù)應(yīng)用都沒有用。

　　圖1：在測試設(shè)置中，SMU被用來描述半導(dǎo)體的正向壓降與結(jié)點溫度的關(guān)系。

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

　　TJ=（m×VF）+T0 （1）

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

　　因此，在給定溫度下（TJ）下，半導(dǎo)體結(jié)點的正向壓降（VF）是一定的。如果我們在兩種不同的溫度下測量VF，則可以計算出某個結(jié)點的斜率（m）以及截距（T0）。由于這是一種線性關(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(jié)點溫度。

　　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型和設(shè)計的熱參數(shù)，比如熱阻。這在設(shè)計特定工作條件以確保器件使用壽命最長時顯得尤為重要，因為熱效應(yīng)是早期器件故障的主要原因。

　　圖2：四線測量方法能減少引腳電阻導(dǎo)致的誤差。

　　測試方法

　　在這個測試方法中，待測器件（DUT）被放置在溫度試驗箱內(nèi)并與驅(qū)動設(shè)備和測量設(shè)備相連。驅(qū)動設(shè)備可能是可編程電流源和伏特計，但其它儀器可以同時提供電流和測量電壓，這些儀器通常被稱為源測量單元（SMU），它們可大大簡化測量儀器（圖1）。

　　接下來，采用四線測量方法或者Kelvin測量方法將SMU與器件相連接。通過感應(yīng)DUT周圍而不是SMU輸入端的電壓，四線電壓測量能降低電壓測量中由引線電阻導(dǎo)致的誤差。圖2是四線測量的詳細連接圖。

　　將DUT放置在環(huán)境試驗箱內(nèi)，并將該試驗箱設(shè)定到初始溫度。初始點通常在25 °C下測量，然后讓DUT達到熱平衡。可通過實驗來確定達到熱平衡所需的?？繒r間（dwell time），但對于大多數(shù)封裝來說，10分鐘應(yīng)該足夠。

　　一旦結(jié)點達到熱平衡，就提供DUT一個持續(xù)時間短的電流，并測量壓降。電流脈沖的持續(xù)時間和振幅非常重要，功率較大（電流過大或者脈沖過長）可能會使結(jié)點發(fā)熱，從而使結(jié)果產(chǎn)生偏差。

　　許多情況下，待測結(jié)點的為硅或者復(fù)合二極管。對于這些類型的器件，以幾毫安的驅(qū)動電流和1 ms的源電流為試驗起點比較好。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(jié)點的自發(fā)熱。然后改變脈沖寬度并比較每個脈沖持續(xù)時間的電壓進行試驗。1mV至2mV的電壓差通常表示結(jié)點溫度有1 °C的變化，這個測量電壓是TJ1 （25 °C ）溫度下的VF1。

　　然后溫度升高到一個更高的值（例如50°C），讓DUT達到熱平衡，并再次給予電流脈沖。這個溫度下的電壓被標為TJ2溫度（此例中為50°C ）下的VF2。

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

　　TJ=（m × VF）+TO

　　TJ2-TJ1= m（VF2-VF1） （式1的點斜式）

　　m=（TJ2-TJ1）/（ VF2-VF1） （2）

　　然后通過外推法計算出TO：

　　TJ2-TJ1=m（VF2-VF1） （式1的點斜式）

　　將VF2設(shè)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(yīng)用實例：高亮度LED

　　這個例將開發(fā)一種新的高亮度LED裸片。該器件被設(shè)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(jié)點溫度最低。這將保證在一些要求更高的應(yīng)用中，該器件具有足夠長的使用壽命。

　　當連接LED裸片正極或負極的接合線斷掉時，通常會發(fā)生LED故障。斷線的常見原因是接合線的溫度循環(huán)，這是由散熱不足導(dǎo)致結(jié)點溫度升高而引起的。

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

　　溫度為TJ1 （25 °C ）時，VF1=1.01V

　　溫度為TJ2 （50 °C ）時，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(jié)點溫度與前向電壓關(guān)系的一階等式為：

　　TJ=（-108.70°C/V）×VF）+134.79°C

　　現(xiàn)在，我們改變其它參數(shù)，如工作電流、環(huán)境溫度和封裝，并只測量VF就可確定實際的結(jié)點溫度。

　　圖3：結(jié)點溫度與正向壓降的線性關(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(shù)字萬用表來測量溫度，可提高測量的準確度。

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

　　結(jié)點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(jié)果。

　　從這個測量半導(dǎo)體結(jié)點溫度的簡單方法中收集到的數(shù)據(jù)，可以被用來分析給定結(jié)點的熱消耗、環(huán)境和源狀態(tài)的效應(yīng)。