利用二極管VF值與結溫的關系評估大功率半導體器件的固晶可靠性

袁偉剛 趙承賢 沐運華 范慶慶 鄧濤 鄭金燦

（珠海格力新元電子有限公司 廣東珠海 519110）

利用二極管VF值與結溫的關系評估大功率半導體器件的固晶可靠性

袁偉剛 趙承賢 沐運華 范慶慶 鄧濤 鄭金燦

（珠海格力新元電子有限公司 廣東珠海 519110）

大功率半導體器件的散熱性能直接影響其可靠性，功率芯片固晶一般采用焊錫焊接提高散熱性能。本文通過測試二極管的伏安特性與結溫的關系，重點研究溫度對PN結的影響，此影響主要表現為隨著溫度的升高，二極管的正向導通壓降VF會線性減小，利用此特性來評估大功率半導體器件封裝工藝中固晶可靠性。

二極管；PN結；伏安特性；導通壓降；固晶焊錫

圖1 同樣的正向電流IF下，不同的PN結導通壓降

圖2 在不同正向電流IF下的正向導通電壓VF的關系曲線

1 引言

當前，電子設備的失效形式主要表現為熱失效。據統計，電子設備的失效有55%是溫度超過規定值所引起的，隨著溫度的增加，電子設備的失效率呈指數增長。所以，功率器件熱設計是電子設備結構設計中不可忽略的一個環節，直接決定了產品是否成功，良好的熱設計是保證電子設備穩定可靠運行的基礎。熱設計包括器件內部芯片的熱設計、封裝的熱設計、管殼的熱設計以及功率器件實際使用中的熱設計。而固晶焊錫質量與封裝的熱設計密切相關，并且對產品散熱性具有一定的影響。封裝工程中，一般只對固晶焊錫的氣泡率采用X-ray進行抽樣檢查，還是會存在焊錫不良的風險。因此，利用二極管的正向導通壓降VF與溫度的關系，來評估功率器件在封裝過程中焊錫的質量，并篩選出焊錫不良品。

圖3 正向導通壓降與溫度的關系

圖4 熱阻測試原理圖

2 功率器件熱性能的主要參數

功率器件的熱應力主要來自兩個方面，一方面來自功率器件內部，另一方面來自功率器件外部[1]。如果功率器件的散熱能力差，器件內部的熱量由于積聚產生的耗散越大，導致器件內部芯片有源區溫度以及結溫的升高，使得器件可靠性降低，安全工作區縮小，影響器件性能。表征功率器件熱能力的參數主要有結溫TJ和熱阻Rth。當結溫TJ高于器件外部環境溫度Ta時，器件內部熱量由于與外界存在溫差產生擴散熱流。為了保證器件的可靠性，必須規定一個最高允許的結溫TJMAX。TJMAX的大小是根據器件的芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定的。功率器件的散熱能力通常用熱阻表征，記為Rth，熱阻越大，則散熱能力越差。熱阻又分為內熱阻和外熱阻：內熱阻是器件自身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導熱系數、厚度和截面積以及加工工藝等有關；外熱阻則與管殼封裝的形式有關。一般來說，管殼面積越大，則外熱阻越小。金屬管殼的外熱阻明顯低于塑封管殼的外熱阻。當功率器件的功率耗散達到一定程度時，器件的結溫升高，系統的可靠性降低。

圖5 試驗電路圖

圖6 焊錫氣泡率有差異的樣品

3 PN結導通壓降與溫度的關系

PN結電壓受兩個因素影響，一為正向電流IF，二為結溫TJ[2]。PN結電壓隨著正向電流IF的增大而增大，隨著結溫TJ的增大而減小。如圖1所示，在同樣的正向電流IF下，PN結導通壓降VFF與VFI之間的差異，就是由于PN結的結溫不同而引起的。根據電壓與結溫之間的關系，電壓之間的改變就可以轉換為結溫之間的變化。

理想PN結的正向電流IF，反向飽和電流IS和正向壓降VF存在如下近似關系：

其中：e為電子電荷，K為波爾茲曼常數，T為絕對溫度。

IS與PN結材料的禁帶寬度以及溫度等有關，其表達式如下：

式（2）中：A，B是與面積、摻雜濃度有關的常數；ug0為絕對零度時，PN結材料的導帶底價帶的電勢差，也就是禁帶寬度。

將式（2）代入式（1），且兩邊取對數可得：

式（3）稱為PN結溫度傳感器的基本方程。若IF常量，則正向壓降只隨溫度變化。在式（3）中，除線性項u1外還包含非線性項uin。可以證明uin所引起的誤差可以忽略不計，即：

綜上所述，在恒流供電的條件下，即IF為常量，PN結的VF對T的關系取決于線性項u1，從式（4）中可看出正向壓降幾乎隨溫度的升高而線性下降，這就是PN結測溫的理論依據[3]。

圖2是一種功率二極管在不同正向電流IF下的正向導通電壓VF的關系曲線。

圖7 正向導通電流IF

圖8 測試結果

圖3 是一種PN結在一定正向電流IF下的正向導通電壓VF與溫度關系曲線。

4 通過二極管的VF評估焊錫質量的實現

圖4是測試的簡易原理圖。其中：

①為PN結施加足夠小的正向電流IM，使PN結產生正向導通壓降VF1；IM的值很小，IM×VF1非常小，此時PN結發出的熱量可以自然散失，因此可以認為此時的PN結溫度與環境溫度一致；

②以恒定的功率PW為PN結施加足夠大的正向電流IF，使PN結產生很大的正向導通壓降，并且大量發熱，熱量無法及時散失使其溫度不斷升高，正向導通壓降隨之不斷降低，經過一段較長的時間PT，PN結溫度上升到某合適的值；

③將正向電流IF撤除，PN的正向導通壓降也驟然降低，隨著熱量的散失，PN結不斷冷卻，正向導通壓降也隨之增加，經過一個極短的時間DT，測量出PN結的正向導通壓降VF2。

從而求得PN結的熱阻Rth：

可見，Rth的大小與PN結所在環境散熱良好程度有直接關系，當散熱足夠好時，Rth=0，散熱越差，Rth越大，因此我們可以通過Rth來判斷PN結所在散熱環境的好壞；我們可以通過Rth來判斷焊接功率器件的焊料的氣泡率的高低。即，使用一個氣泡率符合要求的樣品標定出其Rth值，在相同條件下對同類樣品進行測試，如果其Rth明顯高出標定品（高出5%），證明其氣泡率過高。

圖9 隨著測試頻率的增加，VF測試波形

表1 不同的IF下測得的VF值

表2 正向導通壓降VF測試數據

5 試驗結果

針對一種智能功率模塊的續流二極管，額定電壓為600V，額定電流為10A，10A下的正向導通電壓最大為2.2V。試驗電路圖如圖5所示。

試驗對象為規格一樣，焊錫氣泡率不一樣的兩個樣品，一個氣泡率為小于3%，另一個氣泡率為大于5%，如圖6所示。

試驗時，將兩個樣品放置在散熱環境一致的條件下進行測試，測試初始電流為1A，脈寬為20ms；第二階段電流為10A，脈寬為30ms；第三階段電流為1A，脈寬為10ms。所施加正向導通電流IF如圖7所示；試驗結果波形如下圖8所示；正向導通壓降VF測試數據如表2所示。

由表2測試數據可得，焊錫不良可導致續流二極管的散熱性變差，導致樣品1（氣泡率1.132%）與樣品2（氣泡率5.526%）在同樣的正向電流下具有不同的正向導通壓降VF。

另，隨著測試頻次的增加，VF測試波形也有相應的變化，如圖9所示。

由圖9（a）（b）（c）可得，隨著測試頻率的增加，模塊溫度上升，續流二極管正向導通壓降VF值也相應的下降。在經過10A的電流后再施加1A的電流時，正向導通壓降VF明顯比第一次通1A的正向電流時的正向導通壓降要小的多。充分驗證了二極管PN結正向導通壓降在電流一定的條件下，隨著溫度的升高而下降的特性。

6 結論

通過理論分析和試驗驗證發現，智能功率模塊續流二極管的正向導通壓降VF與溫度在正向電流IF不變的情況下，具有線性關系，并隨著溫度的升高而有所下降。此特性運用與評估封裝工藝中固晶焊錫質量的好壞完全適用。若焊錫質量比較差，續流二極管由于熱量積聚，導致結溫升高，正向導通壓降減小。相反，則正向導通壓降基本沒有變化。在實際運用中，大功率半導體器件如果固晶焊接質量差，散熱能力降低，則模塊的可靠性就會有所下降，利用二極管VF值與溫度的關系可評估大功率半導體器件的固晶可靠性。

[1] 王建石. 電子設備結構設計標準手冊[M]. 北京：中國標準出版社，2001.

[2] 陳水橋. PN結正向壓降溫度特性的研究和應用[J]. 物理實驗, 2000,20（7）：7～9.

[3] Jason chonko.Using Forward Voltage to Measure Semiconductor Junction Temperature[Z]. KeithleyInstruments Inc.,2006.

Using the relationship forward voltage of diode and the junction temperature is used to evaluate the die bonding reliability of high power semiconductor devices

YUAN Weigang ZHAO Chengxian MU Yunhua FAN Qingqing DENG Tao ZHENG Jincan
(ZHUHAI GREE XINYUAN ELECTRONIC CO.,LTD. Zhuhai 519110)

The thermal performance of high power semiconductor devices directly its reliability, the die bonding of power devices use solder welding to improve the heat dissipating property. In this paper, testing the relationship between the volt ampere characteristic and junction temperature of the diode, to study the effect of temperature on PN junction. The influence mainly is with the increase of temperature, the forward voltage drop of the diode decreases linearly. Use this feature to evaluate the die bonding reliability of packaging technology for high power semiconductor devices.

Diode; PN junction; Volt ampere characteristic; Forward voltage; Die bonding