基于電學(xué)法的封裝器件中電容影響研究

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)對改進(jìn)器件熱設(shè)計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管殼內(nèi)，電容無法拆卸，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二極管工作溫升的影響至關(guān)重要。

在國際上測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)行測量工作溫升的主流儀器有美國Analysis Tech Phase11及匈牙利MicRed公司生產(chǎn)的Mentor Graphics T3Ster。這些設(shè)備價格昂貴，而且，這些儀器只針對半導(dǎo)體器件測量，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)法測量工作溫升中并聯(lián)電容對二極管的影響具有實際意義。

本文基于電學(xué)法理論，有效分析了并聯(lián)電容對二極管工作溫升的影響。搭建二極管與電容并聯(lián)的被測器件，通過改變電容容量與加熱時間長短來獲得測量不同情況下被測器件的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線。通過分析不同情況下的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線，消除電容對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)時器件結(jié)溫；TX是參考溫度，TJ-TX是工作穩(wěn)態(tài)時器件結(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，通過測量不同環(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)的變化計算出器件的工作溫升，由式(4)表示

(4)

采用開關(guān)式(也稱為脈沖式)方法[6-8]測量，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)與測量狀態(tài)分離的特性，不可能一次性采集到器件的整個加熱響應(yīng)過程，采集整個冷卻時間階段的溫敏參數(shù)值，即Vf，得到其冷卻響應(yīng)曲線[9-12]。測量完溫度系數(shù)后，將器件放在恒溫平臺上，調(diào)節(jié)恒溫平臺溫度至約25 ℃，等待被測器件溫度恒定。先在被測器件兩端施加1 mA的測試電流，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)(施加工作電流的時間即為加熱時間)，然后切斷功率(開關(guān)斷開)，同時在器件兩端施加1 mA的測試電流，并開始采集整個冷卻過程中SiC[13]二極管兩端電壓[14]，在兩次測量結(jié)果的電壓差值即為ΔVf，通過式(4)就可以得到瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線[15-16]。

2 實驗結(jié)果與分析

本文實驗選用SiC二極管型號為G2S06004A-S。測量基本參數(shù)：溫度系數(shù)-1.5 mV/℃；功率2.17 W,測試電流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)為冷卻時間(即采集數(shù)據(jù)時間)，縱坐標(biāo)為節(jié)溫升。

圖1 被測電路

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(稱為目標(biāo)曲線)，即沒有與電容并聯(lián)時所測的溫升為39.95 ℃，與電容并聯(lián)后，因受電容影響所測的溫升為32.43 ℃，總溫升損失7.52 ℃即18.8%。因此在電容無法拆卸的情況下，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的曲線在冷卻時間初始呈現(xiàn)水平直線，這是與測試儀硬件電路量程有關(guān)，并不影響實驗現(xiàn)象分析。

2.1 電容容量對封裝器件工作溫升影響

依次改變電容容量進(jìn)行測量，將所測的溫度響應(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，由于電容值小所以對器件測量影響較小，溫升損失在5 ℃范圍內(nèi)。并聯(lián)電容為1 μF、2.2 μF、15 μF時溫升曲線有明顯變化并呈現(xiàn)規(guī)律性，整體趨勢為先上升后下降。實驗有兩點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：第一，并聯(lián)電容值越大，溫升曲線與目標(biāo)曲線剛開始相交的時間值越大(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)曲線開始相交后，所有數(shù)據(jù)趨于重合。

根據(jù)實驗結(jié)果與電學(xué)法測溫升的原理，合理推測，在采集數(shù)據(jù)開關(guān)斷開時，電容瞬間放電加在二極管兩端上，影響二極管本身在開關(guān)斷開時的電壓值。電容值越大，放電時間越長，損失溫升越大。當(dāng)電容放電結(jié)束時，二極管兩端電壓恢復(fù)正常。電容的影響體現(xiàn)在采集時間的前一部分，采集時間后半段無影響。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，在開關(guān)斷開時，并聯(lián)電容的二極管兩端電壓相比無電容時大。進(jìn)行模擬仿真進(jìn)行驗證。

2.2 電路仿真與驗證

用Multisim進(jìn)行仿真，首先對單獨(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作為信號發(fā)生源，初始電平為1 A，最終電平為1 mA，步進(jìn)時間為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142.854 μ s，用時短，但當(dāng)二極管與15 μF的電容并聯(lián)時從高電平降低到低電平用時7.323 ms。電容對二極管在高低電流切換時(開關(guān)斷開時)產(chǎn)生影響，因電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)的用時延長所以在同一時刻并聯(lián)電容的二極管兩端電壓值比無電容時大。例如表中在1.000 142 854 s時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，因有并聯(lián)電容的存在，電容放電，使得在同一時刻器件兩端電壓值增大。

由電學(xué)法測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)行溫升測量時即由工作電流切換到測試電流時，電容進(jìn)行放電，所放的電量淹沒二極管在電流切換時的實際電壓值，與電容并聯(lián)時所測得的電壓差值比單獨(dú)二極管時大。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，所測得最初溫升值比沒有電容時小。又因電容兩端電壓不能突變，所以在電容放電時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)到最高值時就是器件兩端電流為測試電流的時刻，隨后器件兩端的結(jié)溫下降，溫升值下降。故所測得的瞬態(tài)溫度相應(yīng)曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，如圖2中箭頭指示15 μF的曲線所示。

2.3 加熱時間對器件工作溫升影響

在封裝器件中電容無法拆卸，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間引起，故從改變加熱時間長度考慮，提取二極管工作溫升信息。

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

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

圖6 加熱時間不同的電壓差曲線

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

理想情況找到電容完全充滿電，但對器件不產(chǎn)生明顯溫升的加熱時間(臨界時間)，例如加熱時間為100 μs。用加熱10 s的數(shù)據(jù)(有電容影響有溫升影響)與該臨界時間的數(shù)據(jù)(有電容影響無溫升影響)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)碾妷翰钪涤嬎銥闇厣挡⒆鲌D8，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，第一在臨界時間內(nèi)電容還沒有充滿電；第二臨界時間內(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題，需要改變加熱時間長短，對封裝器件測兩次工作溫升，將兩次的測量結(jié)果進(jìn)行算法補(bǔ)償，成功提取二極管的工作溫升。此方法需要提升測試儀硬件響應(yīng)速度與添加測試儀軟件算法補(bǔ)償。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)電學(xué)法測量工作溫升的原理，利用Multisim進(jìn)行電容放電仿真，研究封裝器件中并聯(lián)電容對二極管在工作溫升上的影響。重點(diǎn)分析了在不同加熱時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)電容而使所測半導(dǎo)體器件溫升損失的問題。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%。此研究方法對測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，可考慮臨界時間的確定，對于批次量生產(chǎn)的此類封裝器件，并聯(lián)電容容量與臨界時間是否存在一定的對應(yīng)關(guān)系，方便工廠獲取批次量生產(chǎn)的此類封裝器件中二極管的工作溫升。

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