二極管靜態熱阻測量系統的設計

摘 要:二極管靜態熱阻測量是半導體封裝技術可靠性測試的關鍵測量參數，由此可以衍生出Mosfet、IGBT、GTR等多種材料的測量方法，是半導體器件生產過程中的功率循環等后期可靠性試驗的關鍵輸入參數，從而對產品本身的質量和壽命評估具有非常重要的指導意義

關鍵詞:熱阻測量;封裝技術;可靠性測試

中圖分類號:TP31 文獻標識碼:A 文章編號:1674-7712 (2012) 12-0019-02

一、熱阻測量的意義和基本原理

本試驗的目的是確定二極管器件的熱性能，提高產品封裝的可靠性、減小質量缺陷、降低生產成本，并對后期產品應用散熱片尺寸設計提供了必要的數據。熱阻通常使用兩種測量方式，即靜態熱阻抗和瞬態熱阻抗測試。靜態熱阻抗(簡稱為熱敏電阻)確定元件的整體散熱性能。通常半導體元件的熱阻主要由Rthjl--結到引腳熱阻，Rthjc-結到外殼熱阻，Rthja--結到環境溫度熱阻三部分組成。其計算公式為:

RthJX=(TJ-TX)/P

靜態熱阻測量的主電路原理如圖1-1所示，在測量出熱阻系數k之后，

熱阻參數的測量電路原理如下圖所示:

二、K系數測量

K系數即半導體二極管正向電壓溫度曲線斜率，其計算公式為

K=T1–T2/(V1–V2)℃/mV

根據MIL-STD-750D標準中的規定首先要對二極管施加一個正向測量電流，該電流所產生的熱量依據干法測量原理不應該對二極管本身產生任何物理影響，以保證得出準確的測量結果，也就是說二極管VF的變化是由于外部施加的環境溫度發生變化導致TJ溫度上升，材料本身的溫度敏感性使得Vf下降。所以選擇測量電流Im的值是非常重要的，這里我們設計了一個可變的恒流源電路，其電流的大小通過上位計算機的圖形界面控制。在選擇電流時，首先要對材料的正向Vf-If曲線進行測試，找到VF突變的臨界點時的電流值作為Im是最合適的。

為了測量溫度曲線，使用espace恒溫箱來模擬溫度升高的過程，并用9點測試法對恒溫箱進行溫度校準。因為恒溫箱本身提供了modbus通信控制功能，在我們開發的上位機軟件的控制下，以10度為間隔逐點升溫，帶溫度穩定15分鐘后，測量材料上VF電壓，描繪出溫度曲線。由于材料本身的特性呈非線性，所以測量出的數據要通過線性回歸分析，擬合出函數曲線。MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平，線性回歸程序就是以Matlab的Acitve組件Matlab Automation Type Library為基礎開發出來的。

matlab.Execute(x)

matlab.Execute(y)

matlab.Execute(\"c=polyfit(x，y，1)\")

matlab.Execute(\"k=c(1)，b=c(2)\")

matlab.Execute(\"ybest=k*x+b\")

matlab.Execute(\"plot(x，y，'*')\")

matlab.Execute(\"hold on\")

matlab.Execute(\"plot(x，ybest)\")

程序中X數組保存的是每一溫度點測量的溫度值，Y數組為溫度值。經過回歸分析后得出原函數的斜率和截距，并繪制出測量曲線。經過這樣的步驟我們就得出了K系數和測量曲線。

三、靜態熱阻測量系統和參數測量

系統主要由主控計算機、電壓采集控制板、線性精密數字調節橫流源、加熱電流控制Mosfet驅動板和Modbus冰水機和上位機控制軟件組成。主控計算機為臺灣研華科技公司生產的ipc-610型工控機，該機具有很寬工作溫度范圍，能夠在零下20度到零上80度的溫度范圍內正常工作，抗強干擾能力極強適合在電磁環境惡劣的條件下使用，由于熱阻測量時可能會伴隨高達數百安培的電流瞬時切斷，其產生的電磁干擾經常使的普通計算機失去響應，所以選擇它是非常適用的。

電壓采樣板的微控器才采用LPC1700系列ARM芯片LPC1766作為主控單元。LPC766是基于第二代ARM Cortex-M3內核的微控制器，是為嵌入式系統應用而設計的高性能、低功耗的32位微處理器，適用于儀器儀表、工業通訊、電機控制、燈光控制、報警系統等領域。其操作頻率高達120MHz，采用3級流水線和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數據總線以及用于外設的低性能的第三條總線，使得代碼執行速度高達1.25MIPS/MHz，并包含1個支持隨機跳轉的內部預取指單元。LPC1700系列ARM增加了一個專用的Flash存儲器加速模塊，使得在Flash中運行代碼能夠達到較理想的性能LPC1700系列ARM Cortex-M3的外設組件:最高配置包括512KB片內Flash程序存儲器、96KB片內SRAM、4KB片內EEPROM、8通道GPDMA控制器、4個32位通用定時器、一個8通道12位ADC、1個10位DAC、1路電機控制PWM輸出(MCPWM)、1個正交編碼器接口、6路通用PWM輸出、1個看門狗定時器以及一個獨立供電的超低功耗RTC。LPC1700系列ARM Cortex-M3還集成了大量的通信接口:1個以太網MAC、1個USB 2.0全速接口、5個UART接口、2路CAN、3個SSP接口、1個SPI接口、3個I2C接口、2路I2S輸入、輸出。由于VF電壓范圍在幾百毫伏的范圍內，CPU內部的12bitADC分辨率不足，測量元件采用了德州儀器公司生產的ADS7891 14位高精度ADC芯片，可以提供1/16384分辨率，高速并行接口能夠提供3Msps/s的采樣速率，內部集成了2.5V基準源，最大功率損耗85mW。ADC將采集到的數據發送至主CPU后，通過由Altera公司的Cyclone系列FPGA設計的PCI協議轉換橋接口最終將數據送至電腦的PCI接口。

加熱電源選擇了Agilent E3633a和6671A，E3633可以向負載提供200w的輸出功率，6671a可輸出0-8V 220A，非常適宜低壓大電流應用。兩款電源都是單輸出雙范圍高性能直流電源，分別工作在恒壓、恒流模式，具有非常高的精度。輸出采用差分遠程電壓反饋技術，大幅度提升了輸出負載調整率，在大輸出電流情況下輸出電壓不會跌落。超低的紋波和噪聲信號也使其成為了加熱電源的首選，。同時還具有過壓過流保護電路，操作狀態自動記憶，遠程GPIB通信等輔助功能。上位軟件的控件可以直接與Visual studio系統連接，直接電壓設定無需內部調整。

精密恒流源電路對測量結果起到了至關重要的作用。傳統的PID電流方案由于需要足夠的穩定時間，對突變信號不夠敏感，在高速測量系統中是不適合的。在切斷加熱電流的瞬間，恒定電流就要建立，經歷窗口時間Tmd之后的幾個us內迅速到達設定值。

開關電路主要負責切斷加熱電流，由于加熱電流較大所以壓降所產生的功率損耗和散熱片體積成為了必須要考慮的問題。選擇低壓大電流的Mosfet要比同樣電流的IGBT飽和壓降低很多，所以此處選擇了Semicon公司的SEMITOP系列SK300MB075模塊，其標稱容量為75V290A滿足了系統的需求。驅動電路選擇了東芝公司的TLP250高速驅動光耦，其最大輸出電流高達1A，非常適合驅動較大的功率模塊。

熱阻參數在測量時，對外部環境要求極為苛刻，JESD51-2標準中規定材料要安裝在靜止的空氣環境中，使用體積為12立方英寸的容器將待測試材料密封起來，防止外界的空氣流動對材料本身的熱流產生影響，保證測量的溫度敏感參數能夠被正確測量。將測量溫度的三個熱電偶放入容器中，分別安裝于外殼、引線，和能夠測量環境溫度的位置。與原件接觸的熱電偶一定要緊密貼合，并均勻涂抹導熱硅膠使，熱量能更好的傳遞至熱偶減小測量誤差。在測量結殼熱阻Rthjc時，采用水冷板和冰水機組成的散熱系統，將材料的散熱背板壓緊到水冷板上，并通過冰水機控制水冷板環境溫度恒定為25度。

上位機軟件控制流程首先給材料施加正向測試電流Im，電流的取值要和k系數測量時選取的數值相同。等待15分鐘左右熱平衡，測量系統自動記錄下初始壓降VF0，同時記錄測試溫度T0。然后發送運行命令至加熱電源，對材料進行加熱同時完成加熱功率P的測量，電流大小依據Datasheet手冊中給出的值來設定。加熱數秒鐘之后迅速通過mosfet開關，切斷主加熱電源，像電壓采集板發出測量命令。電壓采集卡立即開始記錄此時的正向壓降VF1和此時的溫度值T1，以1us為間隔連續記錄20ms的數據，上位機軟件將采集到的數據顯示到電壓時間窗口。并依據設定好的窗口時間數據，從采樣隊列中剔除掉穩定前的數據。將正確的數值送至Matlab進行線性回歸分析，并逆推出在關斷時刻的壓降值。

在VF0，VF1，T0，T1測量數據收集完畢后由計算公式:

?Tj=(VF1-VF0)/k

然后根據?Tj計算出元件的結溫即TJ:

Tj=?Tj+T1

RthJc=(Tj-Tc)/P

由此獲得了熱阻測量中最為重要，而且無法直接觀測的結溫數據。最后依據標準公式分別計算出RThja、Rthjc、Rthjl三個參數，等待1-2數秒后，重新開始循環測量，經過多次循環測量后前后數據呈現一致且穩定后，便是最終結果。