鄭世棋 李 灝 翟玉衛(wèi) 劉 巖 韓 偉 吳愛華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

1 引 言

半導(dǎo)體器件結(jié)溫是表征器件散熱性能的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響器件可靠性及壽命，隨著器件向著小型化、高集成度、高功率水平不斷發(fā)展，結(jié)溫準(zhǔn)確測(cè)量的重要性不斷凸顯。在多種結(jié)溫測(cè)量方法中，電學(xué)法以非破壞性、高靈敏度、操作簡(jiǎn)便等突出優(yōu)點(diǎn)，在封裝器件結(jié)溫測(cè)試領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

目前電學(xué)結(jié)溫測(cè)試法主要存在開關(guān)式及非開關(guān)式，傳統(tǒng)方法為開關(guān)式，以微小電流作為測(cè)量電流，在對(duì)器件施加工作電流至結(jié)溫穩(wěn)定后，斷開工作電流并切換至測(cè)量電流進(jìn)行結(jié)溫測(cè)試。該切換過程不可避免會(huì)帶來測(cè)溫誤差，據(jù)Kuball等報(bào)道，1μs的時(shí)間延遲就可能導(dǎo)致溫度變化超過100℃，嚴(yán)重影響結(jié)溫測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

鑒于開關(guān)式方法所存在的問題，基于脈沖法的非開關(guān)式結(jié)溫測(cè)量方法逐漸受到廣泛關(guān)注，且由于其實(shí)時(shí)性、在線性的優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外器件測(cè)溫領(lǐng)域的重要研究方向。美國(guó)NIST實(shí)驗(yàn)室ZongYuqin利用脈沖法對(duì)LED結(jié)溫進(jìn)行了測(cè)量，溫懷疆等分析了脈沖大電流方法中脈寬對(duì)LED結(jié)溫測(cè)量影響，朱陽軍等人利用脈沖大電流方法對(duì)晶體管結(jié)溫進(jìn)行了測(cè)試。這些研究工作對(duì)脈沖大電流方法的發(fā)展做出了有益探索，但均是在忽略串聯(lián)電阻存在的條件下開展。郭春生等人針對(duì)器件串聯(lián)電阻對(duì)校溫曲線的影響進(jìn)行了分析，但未涉及串聯(lián)電阻對(duì)測(cè)溫過程的影響。

本文針對(duì)脈沖大電流法結(jié)溫測(cè)試過程中，串聯(lián)電阻對(duì)結(jié)溫測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行了研究。以SiC肖特基二極管器件為研究對(duì)象，對(duì)其串聯(lián)電阻及熱分布情況進(jìn)行了整體分析。通過搭建脈沖大電流法測(cè)量裝置，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作。結(jié)果顯示，測(cè)溫過程中鍵合線存在電流自熱效應(yīng)，溫度顯著高于芯片溫度，其電阻阻值相對(duì)校溫過程的變化，是影響測(cè)溫結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。

2 串聯(lián)電阻影響分析

2.1 測(cè)溫原理

半導(dǎo)體器件電學(xué)法結(jié)溫測(cè)試主要包括校溫和測(cè)溫兩個(gè)步驟。

1)校溫過程

利用控溫裝置將被測(cè)器件控制在特定溫度下，對(duì)器件施加測(cè)試電流，測(cè)量其溫度敏感電學(xué)參數(shù)，本質(zhì)上是建立起敏感電學(xué)參數(shù)同溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常，溫度敏感電學(xué)參數(shù)選擇結(jié)電壓(PN結(jié)或肖特基結(jié))，可適用于絕大多數(shù)分立器件。某二極管器件典型校溫曲線如圖1所示。

圖1 某典型二極管器件校溫曲線圖Fig.1 Temperature calibration curve of a typical diode device

2)測(cè)溫過程

給器件施加工作電流，待結(jié)溫達(dá)到穩(wěn)定后，對(duì)器件施加測(cè)試電流，獲得此時(shí)溫度敏感電學(xué)參數(shù)，并利用上面建立的校溫曲線關(guān)系，推知結(jié)溫信息。

無論是開關(guān)式還是非開關(guān)式測(cè)溫方法，均遵循上述基本測(cè)溫原理及步驟。其區(qū)別在于，傳統(tǒng)小電流測(cè)溫方法(開關(guān)式)是以微小電流作為測(cè)試電流，而脈沖大電流方法(非開關(guān)式)是直接以工作電流為測(cè)試電流，在器件工作同時(shí)測(cè)量其結(jié)電壓。為了避免大電流條件下器件自熱對(duì)校溫過程的影響，脈沖大電流法校溫過程中采用脈沖電流，幅值同工作電流一致，脈寬選取以不引起器件自熱為原則。

2.2 串聯(lián)電阻影響

電學(xué)法成立的基本前提是，對(duì)于同一結(jié)溫溫度，校溫過程和測(cè)溫過程器件的熱分布狀態(tài)應(yīng)基本一致。事實(shí)上，校溫過程利用控溫平臺(tái)將器件整體控制在該溫度，同測(cè)溫過程中器件加電自熱至此溫度相比，兩者狀態(tài)不可避免存在差異。

對(duì)此，選擇典型SiC肖特基二極管器件進(jìn)行了兩種狀態(tài)下的熱分布分析，SiC為寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有良好的耐高溫特性，能滿足高結(jié)溫測(cè)試條件的需求。器件結(jié)構(gòu)如圖2所示，芯片上表面為陽極，通過鍵合線同器件正管腳連接，背面為陰極，通過焊料同導(dǎo)電底板和負(fù)管腳連通。校溫過程中，控溫裝置為熱源，熱量從下到上依次擴(kuò)散，理想情況下，認(rèn)為器件各部分溫度同控溫臺(tái)基本一致。測(cè)溫過程中，主要熱源為通電后的芯片，其熱量向芯片上下的其他部分進(jìn)行擴(kuò)散，此時(shí)控溫裝置起恒溫?zé)岢磷饔?，則芯片溫度最高，導(dǎo)電底板溫度偏低(介于芯片溫度與控溫裝置溫度之間)，但事實(shí)上，由于回路中有較大電路通過，鍵合線及導(dǎo)電底板也可能出現(xiàn)額外自熱。

圖2 典型SiC肖特基二極管器件簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of simplified structure of the typical SiC schottky diode device

校溫過程同測(cè)溫過程熱分布狀態(tài)的不一致，會(huì)導(dǎo)致兩狀態(tài)下串聯(lián)電阻阻值發(fā)生變化，是影響溫度敏感電壓一致性的關(guān)鍵原因。如圖3所示為二極管簡(jiǎn)化電學(xué)模型的示意圖，其中主要串聯(lián)電阻包括鍵合線電阻、二極管芯片體電阻、焊料電阻、基板電阻及相關(guān)接觸電阻?？紤]到二極管芯片結(jié)構(gòu)緊湊，可將理想二極管、二極管體電阻、焊料電阻的溫度視為接近，記為

T

；鍵合線電阻和基板電阻溫度分別為

T

、

T

；

T

則是器件直接測(cè)量得到的整體溫度。在校溫過程中，各部分溫度視為基本一致，即

T

、

T

、

T

相等。測(cè)溫過程中，考慮到大電流下的自熱效應(yīng)，鍵合線電阻及基板電阻均有可能產(chǎn)生自熱溫升，鍵合線上溫度

T

可能高于其他部分溫度，基板電阻溫度

T

受熱沉控溫效應(yīng)和自熱效應(yīng)共同作用，溫度情況不明確，總之，鍵合線電阻

T

及基板電阻

T

均有可能同

T

不再一致。溫度差異會(huì)帶來電阻值的變化，并進(jìn)一步反映到測(cè)量的溫度敏感電壓上，影響測(cè)溫結(jié)果。

圖3 二極管簡(jiǎn)化電學(xué)模型示意圖Fig.3 Simplified electrical model of diode device

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了進(jìn)一步研究串聯(lián)電阻對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響，搭建了如圖4所示的脈沖大電流校溫裝置，使用Keysight B1505A半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀輸出脈沖電流，并同步測(cè)量脈沖電壓值。脈寬采用300μs，以確保脈沖電流作用下器件不發(fā)生明顯自熱效應(yīng)?？販仄脚_(tái)用于將被測(cè)器件控制在特定溫度下，以模擬不同結(jié)溫的工作狀態(tài)。被測(cè)器件為自制SiC肖特基二極管，封裝形式采用TO-258管殼，鍵合線為鋁絲。回路采用四線連接，以避免回路引線電阻帶來的影響。

圖4 脈沖大電流法校溫裝置原理圖Fig.4 Temperature calibration equipment of pulsed large current method

圖5 校溫?cái)?shù)據(jù)中器件各部分電壓隨溫度變化情況曲線圖Fig.5 Relationship between the voltages and temperatures of each part of the device

利用校溫裝置，在30℃～80℃不同溫度下，對(duì)器件內(nèi)部各部分進(jìn)行電壓測(cè)量，獲得電壓隨溫度的變化量，如圖5所示，變化量以30℃基準(zhǔn)狀態(tài)為參照。其中，溫度敏感電壓為器件正負(fù)管腳間的總體電壓，對(duì)應(yīng)器件整體溫度

T

；芯片電壓為芯片陽極到陰極焊料的電壓，對(duì)應(yīng)芯片結(jié)溫和焊料層的溫度

T

；鍵合線電壓為器件正管腳到鍵合線末端的電壓，對(duì)應(yīng)鍵合線的溫度

T

；基板電壓為器件基板到器件負(fù)管腳的電壓，對(duì)應(yīng)溫度

T

?？梢钥吹剑谡w的溫度敏感電壓變化量中，占主要部分的是芯片部分的電壓，其次是鍵合線上的電壓，基板電壓則變化微小?？梢哉J(rèn)為，對(duì)該被測(cè)器件而言，主要影響測(cè)溫結(jié)果的串聯(lián)電阻為鍵合線上的電阻，基板電阻可以忽略。

利用測(cè)量得到的校溫?cái)?shù)據(jù)，能夠得到各部分校溫曲線，并進(jìn)一步擬合得到校溫公式如式(1)～式(3)，分別如圖6～圖8所示，該公式能夠用于后續(xù)測(cè)溫過程中各部分電壓數(shù)據(jù)向溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

U

=1

.

102×10

T

+3

.

539×10

T

+1

.

274

(1)

U

=1

.

213×10

T

-1

.

226×10

T

+1

.

204

(2)

U

=2

.

249×10

T

+2

.

142×10

T

+7

.

288×10

(3)

圖6 器件總體校溫曲線圖Fig.6 Temperature calibration curve of the whole device

圖7 芯片校溫曲線圖Fig.7 Temperature calibration curve of the chip

圖8 鍵合線校溫曲線圖Fig.8 Temperature calibration curve of the bonding wire

為了對(duì)各部分溫度進(jìn)行測(cè)量，搭建了如圖9所示的脈沖大電流法測(cè)溫裝置，其中，直流電流源用于輸出器件直流工作電流，電壓表用于測(cè)量器件電壓?？販仄脚_(tái)溫度固定在30℃充當(dāng)熱沉。器件工作狀態(tài)下的各部分電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，見表1。

圖9 脈沖大電流法測(cè)溫裝置原理圖Fig.9 Temperature measuring equipment of pulsed large current method

表1 器件工作狀態(tài)電壓Tab.1 Voltages of the device under working state工作電流敏感參數(shù)電壓芯片電壓鍵合線電壓5A1.326V1.227V0.093V

利用式(1)至式(3)，對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各部分溫度信息，見表2。

表2 器件溫度信息Tab.2 Temperature information of the device工作電流整體溫度T0芯片溫度T2鍵合線溫度T15A54.6℃44.5℃90.5℃

由表2數(shù)據(jù)可知，由于鍵合線部分自發(fā)熱原因，其溫度大大高于芯片部分溫度，導(dǎo)致測(cè)量得到的整體溫度偏高。

為了對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，使用紅外法對(duì)器件溫度分布進(jìn)行了觀測(cè)，得到如圖10所示的溫度分布圖。可以看到，鍵合線部分溫度明顯高于其他部分，同電學(xué)法測(cè)量分析情況吻合。

圖10 器件實(shí)際結(jié)構(gòu)及紅外溫度分布圖Fig.10 Actual structure and infrared temperature distribution of the device

3 結(jié)束語

針對(duì)脈沖大電流法中串聯(lián)電阻對(duì)結(jié)溫測(cè)試準(zhǔn)確性造成影響的情況，以功率二極管器件為研究對(duì)象，開展了研究工作。分析表明，器件內(nèi)串聯(lián)電阻在校溫過程及測(cè)溫過程中熱分布狀態(tài)差異，是導(dǎo)致上述影響的主要原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，被測(cè)器件鍵合線在大電流自熱效應(yīng)下，溫度顯著高于芯片結(jié)溫，導(dǎo)致器件整體測(cè)溫結(jié)果偏高。

考慮到焊料層厚度小且同芯片緊密接觸，對(duì)焊料層電阻進(jìn)行了溫度等同于芯片溫度的簡(jiǎn)化假設(shè)，為進(jìn)一步提高結(jié)果準(zhǔn)確性，將在今后工作中做針對(duì)性細(xì)化研究。同時(shí)，由于不同器件間結(jié)構(gòu)、材料差異較大，其他類型器件內(nèi)串聯(lián)電阻影響的具體情況，也是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容。