半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)(從IC中數(shù)以百萬計(jì)的晶體管到實(shí)現(xiàn)高亮度LED的大面積復(fù)合結(jié)點(diǎn))可能由于不斷產(chǎn)生的熱而在早期發(fā)生故障。當(dāng)特征尺寸縮小且電流要求提高時，這將成為一個非常嚴(yán)重的問題，甚至正常操作也可能聚積熱量，使結(jié)點(diǎn)溫度升高。溫度上升可能增加結(jié)點(diǎn)內(nèi)的缺陷數(shù)量，從而導(dǎo)致器件的性能下降、生命周期縮短。
因此，需要一種準(zhǔn)確的溫度測量方法來測量半導(dǎo)體器件的溫度，以避免產(chǎn)生可能導(dǎo)致故障的高溫。有一種方法很簡單，即測量結(jié)點(diǎn)溫度。它可以使用常用測試和測量儀器，測量結(jié)果可被用來監(jiān)視特定器件的工作狀況。測量結(jié)點(diǎn)溫度的理想方法是在盡可能離熱源近的地方監(jiān)視器件溫度。流過半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的電流產(chǎn)生熱，這些熱量經(jīng)過結(jié)點(diǎn)材料流向外部世界。
另一種方法是將溫度傳感器放在非常靠近半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的位置，并且測量傳感器的輸出信號。隨著熱量流向外部區(qū)域，外部區(qū)域和傳感器的溫度升高。盡管這是一個很直接的過程，但由于傳感器尺寸有限，所以該方法具有許多物理上的限制。在很多情況下，傳感器本身比要測量的結(jié)點(diǎn)的尺寸大，這就會給系統(tǒng)增加大量的熱，同時帶來額外的測量誤差，從而降低測量準(zhǔn)確度。因此，這種方法幾乎對大多數(shù)應(yīng)用都沒有用。
圖1：在測試設(shè)置中，SMU被用來描述半導(dǎo)體的正向壓降與結(jié)點(diǎn)溫度的關(guān)系。
一種更好的解決方法是利用結(jié)點(diǎn)本身作為溫度傳感器。對大多數(shù)材料來說，結(jié)點(diǎn)正向壓降和結(jié)點(diǎn)溫度之間都存在密切的相關(guān)性。什么時候結(jié)點(diǎn)正向壓降與結(jié)點(diǎn)溫度呈非線性關(guān)系取決于結(jié)點(diǎn)的材料和設(shè)計(jì)。在溫度高達(dá)80°C至100°C的正常工作環(huán)境中，假設(shè)大多數(shù)材料的結(jié)點(diǎn)正向壓降與結(jié)點(diǎn)溫度為線性是安全的。非線性特性可以通過實(shí)驗(yàn)方法來確定，即在更高的環(huán)境溫度下測量電壓，直到結(jié)點(diǎn)正向壓降與結(jié)點(diǎn)溫度為非線性。對于大多數(shù)器件而言，這種關(guān)系接近線性關(guān)系，可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)如下：
TJ=(m×VF)+T0 (1)
其中，TJ=結(jié)點(diǎn)溫度(單位：°C)；m=斜率(與器件相關(guān)的參數(shù)，單位：°C/V)；VF=正向壓降；T0=截距(與器件相關(guān)的參數(shù)，單位：°C)。
因此，在給定溫度下(TJ)下，半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的正向壓降(VF)是一定的。如果我們在兩種不同的溫度下測量VF，則可以計(jì)算出某個結(jié)點(diǎn)的斜率(m)以及截距(T0)。由于這是一種線性關(guān)系，所以我們只需測量VF，就可以利用式(1)計(jì)算不同狀態(tài)下的結(jié)點(diǎn)溫度。
如果知道不同工作狀態(tài)和封裝的器件的TJ，我們就能夠計(jì)算出不同封裝類型和設(shè)計(jì)的熱參數(shù)，比如熱阻。這在設(shè)計(jì)特定工作條件以確保器件使用壽命最長時顯得尤為重要，因?yàn)闊嵝?yīng)是早期器件故障的主要原因。
圖2：四線測量方法能減少引腳電阻導(dǎo)致的誤差。
測試方法
在這個測試方法中，待測器件(DUT)被放置在溫度試驗(yàn)箱內(nèi)并與驅(qū)動設(shè)備和測量設(shè)備相連。驅(qū)動設(shè)備可能是可編程電流源和伏特計(jì)，但其它儀器可以同時提供電流和測量電壓，這些儀器通常被稱為源測量單元(SMU)，它們可大大簡化測量儀器(圖1)。
接下來，采用四線測量方法或者Kelvin測量方法將SMU與器件相連接。通過感應(yīng)DUT周圍而不是SMU輸入端的電壓，四線電壓測量能降低電壓測量中由引線電阻導(dǎo)致的誤差。圖2是四線測量的詳細(xì)連接圖。
將DUT放置在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，并將該試驗(yàn)箱設(shè)定到初始溫度。初始點(diǎn)通常在25 °C下測量，然后讓DUT達(dá)到熱平衡。可通過實(shí)驗(yàn)來確定達(dá)到熱平衡所需的停靠時間(dwell time)，但對于大多數(shù)封裝來說，10分鐘應(yīng)該足夠。
一旦結(jié)點(diǎn)達(dá)到熱平衡，就提供DUT一個持續(xù)時間短的電流，并測量壓降。電流脈沖的持續(xù)時間和振幅非常重要，功率較大(電流過大或者脈沖過長)可能會使結(jié)點(diǎn)發(fā)熱，從而使結(jié)果產(chǎn)生偏差。
許多情況下，待測結(jié)點(diǎn)的為硅或者復(fù)合二極管。對于這些類型的器件，以幾毫安的驅(qū)動電流和1 ms的源電流為試驗(yàn)起點(diǎn)比較好。如果還不太確定，則利用具有極短脈沖(小于1ms)的源，用試驗(yàn)的方法確定結(jié)點(diǎn)的自發(fā)熱。然后改變脈沖寬度并比較每個脈沖持續(xù)時間的電壓進(jìn)行試驗(yàn)。1mV至2mV的電壓差通常表示結(jié)點(diǎn)溫度有1 °C的變化，這個測量電壓是TJ1 (25 °C )溫度下的VF1。
然后溫度升高到一個更高的值(例如50°C)，讓DUT達(dá)到熱平衡，并再次給予電流脈沖。這個溫度下的電壓被標(biāo)為TJ2溫度(此例中為50°C )下的VF2。
采用多個不同的值重復(fù)這些步驟，然后繪制電壓與結(jié)點(diǎn)溫度的關(guān)系圖(圖3)。在分析中，至少使用三個溫度對近似值的任何差異進(jìn)行檢查。現(xiàn)在可以使用式(1)計(jì)算出這條直線的斜率(m)和截距：
TJ=(m × VF)+TO
TJ2-TJ1= m(VF2-VF1) (式1的點(diǎn)斜式)
m=(TJ2-TJ1)/( VF2-VF1) (2)
然后通過外推法計(jì)算出TO：
TJ2-TJ1=m(VF2-VF1) (式1的點(diǎn)斜式)
將VF2設(shè)為0，則式2則變?yōu)椋?/p>
TJ2=TJ1-m VF1
這里的TJ2等于截距，或TO。
TO=TJ2=TJ1-mVF1
應(yīng)用實(shí)例：高亮度LED
這個例將開發(fā)一種新的高亮度LED裸片。該器件被設(shè)計(jì)成能比以前單元承載更多電流，還需確保較高的熱流量以使結(jié)點(diǎn)溫度最低。這將保證在一些要求更高的應(yīng)用中，該器件具有足夠長的使用壽命。
當(dāng)連接LED裸片正極或負(fù)極的接合線斷掉時，通常會發(fā)生LED故障。斷線的常見原因是接合線的溫度循環(huán)，這是由散熱不足導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)溫度升高而引起的。
將LED裸片放置在恒溫箱中并按照如前所述的測試計(jì)劃進(jìn)行測試，可得如下結(jié)果：
溫度為TJ1 (25 °C )時，VF1=1.01V
溫度為TJ2 (50 °C )時，VF2=0.78 V
m=(50-25 )°C /(0.78-1.01)V=-108.70 °C/V
TO=TJ1-mVF1=25 °C-(-108.70°C/V)×(1.01V)=134.79 °C
因此，描述該器件的結(jié)點(diǎn)溫度與前向電壓關(guān)系的一階等式為：
TJ=(-108.70°C/V)×VF)+134.79°C
現(xiàn)在，我們改變其它參數(shù)，如工作電流、環(huán)境溫度和封裝，并只測量VF就可確定實(shí)際的結(jié)點(diǎn)溫度。
圖3：結(jié)點(diǎn)溫度與正向壓降的線性關(guān)系。
誤差根源
測量誤差的最大根源在于環(huán)境試驗(yàn)箱中測量溫度的不確定性。這種測量通常采用熱電偶，而熱電偶的誤差為±2 °C甚至更高。將熱敏電阻或者電阻溫度檢測器(RTD)等更準(zhǔn)確的熱測量傳感器放置在DUT附近，并且使用單獨(dú)的數(shù)字萬用表來測量溫度，可提高測量的準(zhǔn)確度。
當(dāng)計(jì)算結(jié)點(diǎn)溫度時，電壓測量的不確定性也會增加誤差。選擇具有高準(zhǔn)確性和分辨率的儀器進(jìn)行電壓測量是盡量減小這種誤差的關(guān)鍵。
結(jié)點(diǎn)溫度測量中的誤差還將影響其它的熱計(jì)算，如熱阻抗和熱電阻。因此，最小化這些誤差的關(guān)鍵是獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
從這個測量半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)溫度的簡單方法中收集到的數(shù)據(jù)，可以被用來分析給定結(jié)點(diǎn)的熱消耗、環(huán)境和源狀態(tài)的效應(yīng)。
