半导体器件结壳热阻测试校准系数电流的选择研究

半导体器件结壳热阻测试校准系数电流的选择研究

李飞田晓晨

西安卫光科技有限公司陕西西安710065

摘要：半导体器件在测试结壳热阻之前都要先确定其K系数，一般选择器件内部二极管的正向压降作为温度敏感参数（TSP）。现行有效的测试标准中，只是规定正向压降测试电流IM必须足够大，以保证PN结导通，但不能大到足以引起明显自热，这对实际的操作选择很困难。本文通过MOSFET和肖特基二极管作为研究对象，在不同的IM下测试K曲线进行分析，得出便于操作的方法。

关键词：温度敏感参数（TSP）；MOSFET；PN结

一、K系数测试

在测试每个待测器件的Rthj-c曲线之前都要先确定其K系数，K系数是芯片温度与温度敏感参数之间的关系系数。选择半导体器件内部较大电流的二极管或者寄生二极管PN结的正向电压作为敏感参数(TSP)。

K系数的校准一般选用Nuova校准油浴方式，也可选择其他类型的校准环境(如烤箱)。Nuova的校准浴会产生一种缓慢下降的温度介质连接温度和电压数据的收集器，并以5℃的减量记录温度和二极管正向电压VF。这个过程最终会产生近似线性化的校准参数，经过修正得到最终的校准参数。油缸里装的是矿物油，缸内底部有搅拌装置，缸外底部由精密温控炉加热，侧方为温控散热器。

器件的二极管PN结阳极接正极，阴极接负极，热电偶焊接在离发热芯片最近的零电位处（负极）再用尼龙绳垂于缸内正中央。所用的热电偶材料为铜-康铜（T型）或等效的，热电偶直径不大于0.3mm，热电偶的结应是熔焊，以构成球形。

综上，从理论上讲K系数测试电流IM在PN结参数范围内任意选择。选取877厂生产的N沟MOSFET器件WVM65N25和肖特基二极管0.5XT30作为研究对象。器件结温TJ范围为125℃至室温。用测试电流IM为1mA、5mA、10mA及20mA进行K曲线测试，如图B-1所示为WVM65N25的K系数在10mA下测试曲线。

图B-1WVM65N25JunctionCalibrationplotfor1mA5mA10mA

器件结温TJ从125℃至室温，以5℃的减量记录温度和二极管正向电压VF。温度达到整数时，测试IM以10uS的脉宽、5V的电压进行采样。

二、校准数据的修正

数据收集器收到的校准数据不是绝对线性变化的，因此需要对数据进行修正，拟合出一条线性曲线，该曲线的数学表达为式（A-2）。

为常数（A-2）

由于PN结正向压降在高温点时随温度变化基本趋于直线，因此在采集5个数据点之后，计算出其斜率。根据其斜率计算以下每个数据点的斜率和偏移量，并在数据点处重新创建一个新的数据点作为最佳拟合直线。最佳拟合直线上的数据点的最大误差和平均误差作为最终的校准。最大误差是从这条线的绝对值的最佳拟合直线的温度差和最远的点之间的温差。平均误差是温度绝对值的平均值的每个数据点和最佳拟合线之间的差异。在进行校准之前，必须检查校准误差是有效的。平均误差不应该大于1℃和最大误差永远不大于2℃。如果没有满足这些条件，可能的原因有：a)此次连接不是合适的TSP；b)器件PN结被错误地连接或断开连接；c)校准油缸的温度变化速度过快；d)热电偶脱离；e)这个装置可能需要手动非线性的Tj计算；f)测试电流IM选择不合适。

最佳拟合直线方法为最小二乘法。最小二乘法是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。根据式（A-2）求得最小斜率（A-3）及截距（A-4）。

（A-3）

（A-4）

其中：（A-5）

（A-6）

最大误差：

根据以上数学原理，对实测数据进行修正。

三、结果分析

选用西安卫光科技有限公司（877厂）生产的大功率N沟MOSFET的WVM65N20和肖特基二极管0.5XT30各一只合格品作为测试研究样品。测试仪器选择美国Analysistech公司生产的Phase12热阻测试系统，该仪器自检合格，并且由第三方计量校准实验室校准为合格。分别用测试IM电流为1mA、5mA、10mA测试WVM65N20的K曲线及结壳热阻。分别用测试IM电流为5mA、10mA、20mA测试0.5XT30的K曲线及结壳热阻。

表C-2测试结果

四、结论

在正向压降测试电流IM必须足够大，以保证PN结导通，但不能大到足以引起明显自热为前提，经过大量不同类型的半导体器件总结得知以下结论：

1)选择PN结为温度敏感参数（TSP）的一般类型三极管、二极管、MOSFET、IGBT、PN结为TSP的IC时：该PN结的电流小于等于1A时校准K系数测试电流IM为1mA；该PN结的电流大于1A小于等于10A时校准K系数测试电流IM为5mA；该PN结的电流大于10A时校准K系数测试电流IM为10mA。

2)选择PN结为温度敏感参数（TSP）的SCRs、TRIACs、肖特基二极管时，校准K曲线测试电流IM最小要选择20mA，如果K曲线的最大偏差MaxErr超过1℃或平均误差MeanErr超过0.5℃时，选择更大的测试电流IM如50mA。

参考文献

[N1]MIL-STD-883K,METHOD1012.1,ThermalCharacteristicsofIntegratedCircuits,4November1980

[N2]JESD51,MethodologyfortheThermalMeasurementofComponentPackages(SingleSemiconductorDevices).Thisistheoverviewdocumentforthisseriesofspecifications.

[N3]JESD51-1,IntegratedCircuitThermalMeasurementMethod-ElectricalTestMethod