CN105004427B - 用于精确测试半导体器件温度分布的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于精确测试半导体器件温度分布的装置和方法。本发明装置包括核心控制模块、大小恒流源模块、高速电流切换模块、恒温箱、高速数据采集模块、红外热像仪、上位机及电源模块。本发明方法包括为待测器件提供可调恒温环境及精确测试电流，记录环境温度及对应正向压降线性拟合得到K系数，加热电流将待测器件加热至稳定状态后高速切换至测试电流，快速采样正向压降并与K系数转换得到冷却曲线，用拟合及平滑方法处理冷却曲线得到更精确且完整的冷却曲线，同时红外热像仪拍摄温度分布图。用精确冷却曲线温度校正温度分布图可得精确的温度分布图。本发明利用电学测试法校正红外热像图，在半导体器件温度分布测试方面具有高精确性。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件瞬态热测试技术领域，具体涉及一种用于精确测试半导体器件温度分布的装置和方法。
背景技术
功率半导体器件是高发热的电子产品，产品寿命和正常工作与产品工作结温Tj是否超过允许的最高结温Tjm密切相关。Tjm是器件的重要额定值，是综合性技术和质量水平指标，器件其他很多重要技术指标都是通过Tjm来体现和保证的。以大功率LED为例，其工作电流的增加会产生大量的热量，引起LED芯片pn结结温的显著变化，对LED的性能产生重要的影响，造成正向压降改变、色温变化、波长红移、光电转换效率变低等，影响其光度、色度和电气参数。因此，快速、准确地测试功率半导体器件的结温是有效热管理的重要前提。
红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热像图。热像图上不同颜色代表被测物体的不同温度。但由于红外热像仪属于非接触式测试仪，测量时受中间介质及测试环境的影响较大，因此，红外热像图的温度分布精度较低，不能精确反映拍摄区域的温度分布。如德国InfraTec(英福泰克)高精度红外热像仪VarioCAM®hr research (简称VCr)的测量精度仅为±1℃。因此，用接触式测温方法校正红外热像图可使红外热像图的测量精度大大提高。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于精确测试半导体器件温度分布的装置和方法，精度高、误差小、稳定性好。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于精确测试半导体器件温度分布的装置，包括上位机、核心控制板、高速电流切换模块、大小恒流源模块、红外热像仪、恒温箱、高速数据采集模块，所述上位机与核心控制板串口连接，所述核心控制板依次连接高速电流切换模块、大小恒流源模块和恒温箱，所述红外热像仪连接上位机，所述高速电流切换模块、大小恒流源模块、红外热像仪分别连接恒温箱中的待测器件，所述待测器件通过高速数据采集模块连接上位机。
所述恒温箱为干式恒温箱，控制精度≥0.5℃。
所述大小恒流源模块的电流纹波系数≤1%。
一种用于精确测试半导体器件温度分布的方法，应用上述的装置，包括如下步骤：
a.将待测器件放置于恒温箱中，并在待测器件与恒温箱之间均匀涂抹导热材料；
b.在上位机中输入测试电流值，传送给核心控制板驱动大小恒流源模块，为待测器件提供测试电流；
c.在上位机中输入起始温度值及步进温度值，传送给核心控制板驱动恒温箱为待测器件提供不同环境温度，高速数据采集模块采集对应温度下的电压值并上传至上位机；
d.上位机将不同环境温度与对应温度下的电压值进行线性拟合得到K系数；
e.在上位机中输入加热电流值、测试电流值、加热时间及测试时间，传送给核心控制板驱动大小恒流源模块为待测器件提供加热电流，待加热时间结束后，高速电流切换模块迅速将加热电流切换成测试电流，高速采集模块采集测试电流下的电压值，同时红外热像仪记录对应温度分布变化；
f.高速采集模块将电压变化传送至上位机，上位机将电压变化量与K系数相除得到冷却曲线；
g.在上位机中采用拟合方法对该冷却曲线前段短时间内的数据拟合，将拟合后的数据与后段数据整合后再进行平滑得到更精确且完整反映待测器件温度的冷却曲线；
h.上位机将精确冷却曲线的温度与红外热像仪记录的温度分布图校正得到精确的温度分布图。
所述步骤c中高速数据采集模块采样率≥1M/s。
所述步骤e中高速电流切换模块的切换时间≤1μs。
所述步骤g中的拟合方法包含平方根拟合方法及指数拟合方法，所述的平滑方法包含傅里叶级数展开平滑和正则化平滑；其中指数拟合方法对于含噪冷却曲线信号既有拟合作用也有平滑作用，因此指数拟合方法是将拟合和平滑合并为一个步骤，而其余拟合方法和平滑方法为两个步骤；对实测冷却曲线拟合和平滑能有效地改善测试数据的随机性误差。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：
本发明通过设计嵌入式控制系统，为待测器件提供相应测试设置及测试环境，可以获得器件温度的精确值，用该精确值校正红外热像图，从而得到精确的红外热像图的精确温度分布。本发明具有精度高、误差小、稳定性好的特点，通过本发明装置和方法可以对半导体器件进行精确温度分布测试。
附图说明
图1为本发明用于精确测试半导体器件温度分布的方法的流程图。
图2为本发明用于精确测试半导体器件温度分布的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例详述如下：
如图2所示，一种用于精确测试半导体器件温度分布的装置，包括上位机1、核心控制板2、高速电流切换模块3、大小恒流源模块4、红外热像仪5、恒温箱6、高速数据采集模块7，所述上位机1与核心控制板2串口连接，所述核心控制板2依次连接高速电流切换模块3、大小恒流源模块4和恒温箱6，所述红外热像仪5连接上位机1，所述高速电流切换模块3、大小恒流源模块4、红外热像仪5分别连接恒温箱6中的待测器件，所述待测器件通过高速数据采集模块7连接上位机1。
所述恒温箱6为干式恒温箱，控制精度≥0.5℃。
所述大小恒流源模块4的电流纹波系数≤1%。
如图1所示，一种用于精确测试半导体器件温度分布的方法，应用上述的装置，包括如下步骤：
a.将待测器件放置于恒温箱6中，并在待测器件与恒温箱6之间均匀涂抹导热材料；
b.在上位机1中输入测试电流值，传送给核心控制板2驱动大小恒流源模块4，为待测器件提供测试电流；
c.在上位机1中输入起始温度值及步进温度值，传送给核心控制板2驱动恒温箱6为待测器件提供不同环境温度，高速数据采集模块7采集对应温度下的电压值并上传至上位机1；
d.上位机1将不同环境温度与对应温度下的电压值进行线性拟合得到K系数；
e.在上位机1中输入加热电流值、测试电流值、加热时间及测试时间，传送给核心控制板2驱动大小恒流源模块4为待测器件提供加热电流，待加热时间结束后，高速电流切换模块3迅速将加热电流切换成测试电流，高速采集模块7采集测试电流下的电压值，同时红外热像仪5记录对应温度分布变化；
f.高速采集模块7将电压变化传送至上位机1，上位机1将电压变化量与K系数相除得到冷却曲线；
g.在上位机1中采用拟合方法对该冷却曲线前段短时间内的数据拟合，将拟合后的数据与后段数据整合后再进行平滑得到更精确且完整反映待测器件温度的冷却曲线；
h.上位机1将精确冷却曲线的温度与红外热像仪5记录的温度分布图校正得到精确的温度分布图。
所述步骤c中高速数据采集模块7采样率≥1M/s。
所述步骤e中高速电流切换模块3的切换时间≤1μs。
所述步骤g中的拟合方法包含平方根拟合方法及指数拟合方法，所述的平滑方法包含傅里叶级数展开平滑和正则化平滑；其中指数拟合方法对于含噪冷却曲线信号既有拟合作用也有平滑作用，因此指数拟合方法是将拟合和平滑合并为一个步骤，而其余拟合方法和平滑方法为两个步骤；对实测冷却曲线拟合和平滑能有效地改善测试数据的随机性误差。
本发明的原理如下：
本实施例装置在测试过程中，利用半导体器件pn结正向压降和结温之间良好的线性关系，为待测器件提供可调恒温环境及精确测试电流，测试电流为使待测器件正向导通但又不自热的电流，记录环境温度及对应正向压降线性拟合即可得到该测试电流下的K系数；然后在加热电流下将待测器件加热到稳定状态，高速切换至测试电流，由于热量的扩散，待测器件的正向压降呈现瞬态上升过程，快速对这一过程进行采样并与K系数转换得到待测器件的冷却曲线，该冷却曲线精确地反映了待测器件的温度，同时红外热像仪拍摄这一过程的温度分布图。用电学测试法获得的精确温度校正红外热像仪的温度分布图即可得到精确的温度分布图。
Claims (6)
1.一种用于精确测试半导体器件温度分布的方法，采用用于精确测试半导体器件温度分布的装置来实现，该装置包括上位机(1)、核心控制板(2)、高速电流切换模块(3)、大小恒流源模块(4)、红外热像仪(5)、恒温箱(6)、高速数据采集模块(7)，所述上位机(1)与核心控制板(2)串口连接，所述核心控制板(2)依次连接高速电流切换模块(3)、大小恒流源模块(4)和恒温箱(6)，所述红外热像仪(5)连接上位机(1)，所述高速电流切换模块(3)、大小恒流源模块(4)、红外热像仪(5)分别连接恒温箱(6)中的待测器件，所述待测器件通过高速数据采集模块(7)连接上位机(1)，其特征在于该方法的具体步骤为：
a.将待测器件放置于恒温箱(6)中，并在待测器件与恒温箱(6)之间均匀涂抹导热材料；
b.在上位机(1)中输入测试电流值，传送给核心控制板(2)驱动大小恒流源模块(4)，为待测器件提供测试电流；
c.在上位机(1)中输入起始温度值及步进温度值，传送给核心控制板(2)驱动恒温箱(6)为待测器件提供不同环境温度，高速数据采集模块(7)采集对应温度下的电压值并上传至上位机(1)；
d.上位机(1)将不同环境温度与对应温度下的电压值进行线性拟合得到K系数；
e.在上位机(1)中输入加热电流值、测试电流值、加热时间及测试时间，传送给核心控制板(2)驱动大小恒流源模块(4)为待测器件提供加热电流，待加热时间结束后，高速电流切换模块(3)迅速将加热电流切换成测试电流，高速采集模块(7)采集测试电流下的电压值，同时红外热像仪(5)记录对应温度分布变化；
f.高速采集模块(7)将电压变化传送至上位机(1)，上位机(1)将电压变化量与K系数相除得到冷却曲线；
g.在上位机(1)中采用拟合方法对该冷却曲线前段短时间内的数据拟合，将拟合后的数据与后段数据整合后再进行平滑处理得到更精确且完整反映待测器件温度的冷却曲线；
h.上位机(1)采用精确冷却曲线的温度对红外热像仪(5)记录的温度分布图校正得到精确的温度分布图。
2.根据权利要求1所述的用于精确测试半导体器件温度分布的方法，其特征在于：所述恒温箱(6)为干式恒温箱，控制精度≥0.5℃。
3.根据权利要求1所述的用于精确测试半导体器件温度分布的方法，其特征在于：所述大小恒流源模块(4)的电流纹波系数≤1％。
4.根据权利要求1所述的用于精确测试半导体器件温度分布的方法，其特征在于：所述步骤c中高速数据采集模块(7)采样率≥1M/s。
5.根据权利要求1所述的用于精确测试半导体器件温度分布的方法，其特征在于：所述步骤e中高速电流切换模块(3)的切换时间≤1μs。
6.根据权利要求1所述的用于精确测试半导体器件温度分布的方法，其特征在于：所述步骤g中的拟合方法包含平方根拟合方法及指数拟合方法，所述的平滑处理所采用的方法包含傅里叶级数展开平滑和正则化平滑；其中指数拟合方法对于含噪冷却曲线信号既有拟合作用也有平滑作用，因此指数拟合方法是将拟合和平滑合并为一个步骤，而其余拟合方法和平滑方法为两个步骤；对实测冷却曲线拟合和平滑能有效地改善测试数据的随机性误差。
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