器件串聯電阻對脈沖電流結溫測試方法影響研究

鄭世棋 李 灝 翟玉衛 劉 巖 韓 偉 吳愛華

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

1 引 言

半導體器件結溫是表征器件散熱性能的關鍵參數，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、高功率水平不斷發展，結溫準確測量的重要性不斷凸顯。在多種結溫測量方法中，電學法以非破壞性、高靈敏度、操作簡便等突出優點，在封裝器件結溫測試領域得到廣泛應用。

目前電學結溫測試法主要存在開關式及非開關式，傳統方法為開關式，以微小電流作為測量電流，在對器件施加工作電流至結溫穩定后，斷開工作電流并切換至測量電流進行結溫測試。該切換過程不可避免會帶來測溫誤差，據Kuball等報道，1μs的時間延遲就可能導致溫度變化超過100℃，嚴重影響結溫測量結果的準確性。

鑒于開關式方法所存在的問題，基于脈沖法的非開關式結溫測量方法逐漸受到廣泛關注，且由于其實時性、在線性的優點，成為國內外器件測溫領域的重要研究方向。美國NIST實驗室ZongYuqin利用脈沖法對LED結溫進行了測量，溫懷疆等分析了脈沖大電流方法中脈寬對LED結溫測量影響，朱陽軍等人利用脈沖大電流方法對晶體管結溫進行了測試。這些研究工作對脈沖大電流方法的發展做出了有益探索，但均是在忽略串聯電阻存在的條件下開展。郭春生等人針對器件串聯電阻對校溫曲線的影響進行了分析，但未涉及串聯電阻對測溫過程的影響。

本文針對脈沖大電流法結溫測試過程中，串聯電阻對結溫測試結果的影響進行了研究。以SiC肖特基二極管器件為研究對象，對其串聯電阻及熱分布情況進行了整體分析。通過搭建脈沖大電流法測量裝置，進行了實驗測試工作。結果顯示，測溫過程中鍵合線存在電流自熱效應，溫度顯著高于芯片溫度，其電阻阻值相對校溫過程的變化，是影響測溫結果準確性的重要因素。

2 串聯電阻影響分析

2.1 測溫原理

半導體器件電學法結溫測試主要包括校溫和測溫兩個步驟。

1)校溫過程

利用控溫裝置將被測器件控制在特定溫度下，對器件施加測試電流，測量其溫度敏感電學參數，本質上是建立起敏感電學參數同溫度之間的對應關系。通常，溫度敏感電學參數選擇結電壓(PN結或肖特基結)，可適用于絕大多數分立器件。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)測溫過程

給器件施加工作電流，待結溫達到穩定后，對器件施加測試電流，獲得此時溫度敏感電學參數，并利用上面建立的校溫曲線關系，推知結溫信息。

無論是開關式還是非開關式測溫方法，均遵循上述基本測溫原理及步驟。其區別在于，傳統小電流測溫方法(開關式)是以微小電流作為測試電流，而脈沖大電流方法(非開關式)是直接以工作電流為測試電流，在器件工作同時測量其結電壓。為了避免大電流條件下器件自熱對校溫過程的影響，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 串聯電阻影響

電學法成立的基本前提是，對于同一結溫溫度，校溫過程和測溫過程器件的熱分布狀態應基本一致。事實上，校溫過程利用控溫平臺將器件整體控制在該溫度，同測溫過程中器件加電自熱至此溫度相比，兩者狀態不可避免存在差異。

對此，選擇典型SiC肖特基二極管器件進行了兩種狀態下的熱分布分析，SiC為寬禁帶半導體材料，具有良好的耐高溫特性，能滿足高結溫測試條件的需求。器件結構如圖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，通過焊料同導電底板和負管腳連通。校溫過程中，控溫裝置為熱源，熱量從下到上依次擴散，理想情況下，認為器件各部分溫度同控溫臺基本一致。測溫過程中，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行擴散，此時控溫裝置起恒溫熱沉作用，則芯片溫度最高，導電底板溫度偏低(介于芯片溫度與控溫裝置溫度之間)，但事實上，由于回路中有較大電路通過，鍵合線及導電底板也可能出現額外自熱。

圖2 典型SiC肖特基二極管器件簡化結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of simplified structure of the typical SiC schottky diode device

校溫過程同測溫過程熱分布狀態的不一致，會導致兩狀態下串聯電阻阻值發生變化，是影響溫度敏感電壓一致性的關鍵原因。如圖3所示為二極管簡化電學模型的示意圖，其中主要串聯電阻包括鍵合線電阻、二極管芯片體電阻、焊料電阻、基板電阻及相關接觸電阻。考慮到二極管芯片結構緊湊，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。測溫過程中，考慮到大電流下的自熱效應，鍵合線電阻及基板電阻均有可能產生自熱溫升，鍵合線上溫度

T

可能高于其他部分溫度，基板電阻溫度

T

受熱沉控溫效應和自熱效應共同作用，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。溫度差異會帶來電阻值的變化，并進一步反映到測量的溫度敏感電壓上，影響測溫結果。

圖3 二極管簡化電學模型示意圖Fig.3 Simplified electrical model of diode device

2.3 實驗測試

為了進一步研究串聯電阻對測溫結果的影響，搭建了如圖4所示的脈沖大電流校溫裝置，使用Keysight B1505A半導體參數測試儀輸出脈沖電流，并同步測量脈沖電壓值。脈寬采用300μs，以確保脈沖電流作用下器件不發生明顯自熱效應。控溫平臺用于將被測器件控制在特定溫度下，以模擬不同結溫的工作狀態。被測器件為自制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 校溫數據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，對器件內部各部分進行電壓測量，獲得電壓隨溫度的變化量，如圖5所示，變化量以30℃基準狀態為參照。其中，溫度敏感電壓為器件正負管腳間的總體電壓，對應器件整體溫度

T

；芯片電壓為芯片陽極到陰極焊料的電壓，對應芯片結溫和焊料層的溫度

T

；鍵合線電壓為器件正管腳到鍵合線末端的電壓，對應鍵合線的溫度

T

；基板電壓為器件基板到器件負管腳的電壓，對應溫度

T

。可以看到，在整體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。可以認為，對該被測器件而言，主要影響測溫結果的串聯電阻為鍵合線上的電阻，基板電阻可以忽略。

利用測量得到的校溫數據，能夠得到各部分校溫曲線，并進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測溫過程中各部分電壓數據向溫度數據的轉換。

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

為了對各部分溫度進行測量，搭建了如圖9所示的脈沖大電流法測溫裝置，其中，直流電流源用于輸出器件直流工作電流，電壓表用于測量器件電壓。控溫平臺溫度固定在30℃充當熱沉。器件工作狀態下的各部分電壓測量數據，見表1。

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

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

利用式(1)至式(3)，對表1數據進行處理，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數據可知，由于鍵合線部分自發熱原因，其溫度大大高于芯片部分溫度，導致測量得到的整體溫度偏高。

為了對上述實驗結果進行驗證，使用紅外法對器件溫度分布進行了觀測，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，同電學法測量分析情況吻合。

圖10 器件實際結構及紅外溫度分布圖Fig.10 Actual structure and infrared temperature distribution of the device

3 結束語

針對脈沖大電流法中串聯電阻對結溫測試準確性造成影響的情況，以功率二極管器件為研究對象，開展了研究工作。分析表明，器件內串聯電阻在校溫過程及測溫過程中熱分布狀態差異，是導致上述影響的主要原因。實驗結果顯示，被測器件鍵合線在大電流自熱效應下，溫度顯著高于芯片結溫，導致器件整體測溫結果偏高。

考慮到焊料層厚度小且同芯片緊密接觸，對焊料層電阻進行了溫度等同于芯片溫度的簡化假設，為進一步提高結果準確性，將在今后工作中做針對性細化研究。同時，由于不同器件間結構、材料差異較大，其他類型器件內串聯電阻影響的具體情況，也是后續研究工作的重點內容。