本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件以及電力電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)明主要應(yīng)用于功率MOS器件溫升的在線實(shí)時(shí)測量，及監(jiān)控器件工作時(shí)的溫升。

背景技術(shù)：
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隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)地不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體器件的特征尺寸越來越小，集成度越來越高。尤其是功率MOS器件，其朝著高壓、大電流的方向發(fā)展，大功率工作條件下產(chǎn)生的熱量很高，使得結(jié)溫很高，這將加速功率MOS器件的性能惡化，如工作壽命變短和器件的性能變差，對器件和系統(tǒng)的可靠性帶來很大的挑戰(zhàn)。因此，快速、準(zhǔn)確地測量功率MOS器件在工作狀態(tài)下的溫升就顯得十分必要。

現(xiàn)有技術(shù)中，功率MOS器件的溫升測試多采用電學(xué)法，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有美軍標(biāo)MIL-STD-750E 3101.4，國軍標(biāo)128A-97.3103等。使用測試設(shè)備測試過程中，均需要開關(guān)切換操作，即先給功率MOS器件施加功率使器件升溫，再通過開關(guān)斷開工作電流，接通測試電流，采集功率MOS器件結(jié)電壓，對應(yīng)得到器件溫升。該方法在獲取器件熱阻構(gòu)成方面有很大的優(yōu)勢,是通過小信號測試溫敏參數(shù)來實(shí)現(xiàn)溫升的測量，但不能實(shí)現(xiàn)器件工作狀態(tài)下溫升的測量。然而，當(dāng)前半導(dǎo)體器件在工作狀態(tài)下進(jìn)行在線測溫和實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)既有迫切需要，又缺乏有效的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的主要發(fā)明點(diǎn)在于：使功率MOS器件工作狀態(tài)下，通過在器件柵極施加測試脈沖電壓信號，檢測柵極測試脈沖電壓信號與漏極對應(yīng)電流變化的開啟延遲時(shí)間。測量功率MOS器件漏極輸出電流呈線性增大或減小時(shí)，該延遲時(shí)間與漏極電流的對應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)器件所加功率、熱阻和溫升之間的對應(yīng)關(guān)系，得到延遲時(shí)間隨溫度變化的溫度系數(shù)。測量在某個(gè)工作狀態(tài)下，功率MOS器件柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間，再由測得的該延遲時(shí)間的溫度系數(shù),可得到器件在該狀態(tài)下的溫升大小，即實(shí)現(xiàn)功率MOS器件溫升的在線測量。

該技術(shù)方案如下：

使功率MOS器件處于工作狀態(tài)，待其輸出功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，在功率MOS器件的柵極接入一個(gè)脈沖時(shí)間為10μs-50μs，電壓幅值為500mV-2V的窄脈沖電壓信號，則會引起漏極電流的對應(yīng)變化。由于柵極電壓信號的傳動(dòng)是通過溝道中載流子從源極到漏極輸運(yùn)時(shí)間決定的。封裝后的器件的溝道長度確定，輸運(yùn)時(shí)間就取決于載流子在溝道中的漂移速度υ＝μ_n*E。如果保持漏-源電壓不變，即電場E不變，而載流子遷移率μ_n與溫度有關(guān)，隨溫度升高而下降。所以，功率MOS器件柵極所施加的脈沖電壓信號與引起的對應(yīng)漏極電流變化之間的開啟延遲時(shí)間就與工作溫度存在關(guān)聯(lián)性。在功率MOS器件漏-源電壓不變的情況下，隨電流增加脈沖延遲時(shí)間與電流(所加功率)的關(guān)系一般為線性，根據(jù)器件熱阻的參數(shù)定義：單位功率變化所引起的溫升大小，及穩(wěn)態(tài)漏極電流(所加功率)、熱阻和溫升之間的對應(yīng)關(guān)系，則可得到該延遲時(shí)間隨溫度變化的溫度系數(shù)，就可在功率MOS器件處于實(shí)際工作系統(tǒng)中的某個(gè)狀態(tài)下，通過在功率MOS器件的柵極接入窄脈沖電壓信號，測量器件柵極脈沖電壓信號與對應(yīng)的漏極電流變化之間的開啟延遲時(shí)間，再利用該延遲時(shí)間隨溫度變化的溫度系數(shù)，得到功率MOS器件在該狀態(tài)下的溫升。

一種功率MOS器件在線測溫的方法，包括：功率MOS器件101、散熱平臺201、漏極電壓源301、柵極電壓源302、信號發(fā)生器401、0.01Ω采樣電阻501、柵極電阻502、柵極并聯(lián)電容601、示波器701。散熱平臺201用于給功率MOS器件散熱；漏極電壓源301和柵極電壓源302用于使器件處于工作狀態(tài)；信號發(fā)生器401用于給功率MOS器件柵極施加脈沖電壓信號；0.01-0.1Ω采樣電阻501用于采集漏極電流，柵極電阻502用于隔離、防止寄生振蕩的作用；柵極并聯(lián)電容601用于柵極疊加脈沖電壓信號以及克服柵極寄生電容的影響；示波器701是模擬帶寬大于1GHz的示波器，用于采集柵極脈沖電壓信號和對應(yīng)漏極工作電流的對應(yīng)變化，及分析脈沖電壓信號與漏極電流的開啟延遲關(guān)系。

電容601的選取原則是大于功率MOS器件的柵源輸入電容值Ciss(Ciss約為4000pF左右)，也不宜過大，小于5-10倍Ciss。

采樣電阻501：本測試電路中，采樣電阻501與功率MOS器件使用隔離GND，故采樣電阻的選取原則是，讀取電壓信號不易過小，便于兩信號分析即可。

本發(fā)明的特征在于：

I.確定了功率MOS柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏極電流變化的延遲時(shí)間，該延遲時(shí)間在漏-源電壓不變條件下，與溝道的溫度存在關(guān)聯(lián)性(一般為線性)；

II.建立了獲取測量延遲時(shí)間的溫度系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法；

III.獲取溫度系數(shù)后，測量或監(jiān)測功率器件工作時(shí)的溫度。

該方法包括以下步驟：

I.將功率MOS器件101放置在散熱平臺201上，連接好功率MOS器件101的柵、源、漏導(dǎo)線，如圖1所示。

II、調(diào)節(jié)漏極電壓源301為2V不變，然后，調(diào)節(jié)柵極電壓源302，使得漏極電壓源301的輸出電流為1A，即此時(shí)流過功率MOS器件的漏-源電流為1A，持續(xù)此工作狀態(tài)5-10分鐘，使得功率MOS器件101輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。接著調(diào)節(jié)信號發(fā)生器401，產(chǎn)生一個(gè)脈寬為10μs-50μs，電壓幅值為500mV-2V的脈沖電壓信號，通過電容值約為1μF電容601疊加在功率MOS器件101的柵極，此時(shí)，使用示波器701采集功率MOS器件101的柵-源電壓和采樣電阻501的電壓變化，波形如圖2所示。然后，調(diào)節(jié)示波器701，等比例放大兩信號的脈沖開啟上升部分至100mV，100ns檔位，使得兩脈沖處于同一條零點(diǎn)線位置，讀取兩信號距離零點(diǎn)線100mV位置的差值，則該差值即是功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏極電流變化的開啟延遲時(shí)間，該值的讀取是取脈沖信號上升沿的約百分之五位置，如圖3所示。在此約定，其他電流下功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲讀取與上述讀取方法一致。

III、保持漏極電壓源301幅值2V不變，調(diào)節(jié)柵極電壓源302，使得漏極電壓源301的輸出電流分別為2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A，然后，再分別待其工作5-10分鐘到穩(wěn)態(tài)后，重復(fù)步驟II的條件和方式，分別采集該漏極電流下的功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間。然后，做功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲Delay與漏電流I_DS的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖可知，兩者滿足斜率為正值的線性關(guān)系。

IV、獲取改延遲時(shí)間的溫度系數(shù)的方法：功率MOS器件101的漏極電壓V_DS為

V_DS＝V_power-I_DS*0.01

其中，V_power為漏極電壓源301的輸出電壓值。I_DS為漏極電流，0.01為采樣電阻的阻值。

功率MOS器件101的加載功率為：

P＝V_DS*I_DS

因?yàn)楣β蔒OS器件101柵極所加脈沖測試信號的工作時(shí)間t_pulse僅為10-50μS，所引起的溫升幾乎可以忽略不計(jì)。再根據(jù)熱阻的定義：

R_th(t)＝ΔT(t)/(V_DS*I_DS)

其中，ΔT(t)為器件在該功率下的溫升，則可得到功率MOS器件101的溫升為：

ΔT(t)＝R_th(t)/(V_DS*I_DS)

因?yàn)楣β蔒OS器件101的熱阻隨溫度變化很小，可認(rèn)為是定值，該參數(shù)可由器件Datasheet手冊查出，如IRFP260的datasheet給出的結(jié)殼熱阻值為0.5℃/W。則可將功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲與漏電流I_DS的關(guān)系曲線，轉(zhuǎn)換為功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號的與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲與溫升△T(t)的關(guān)系曲線，如圖5所示。則得到該漏-源電壓下，功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間的溫度系數(shù)。

V、改變漏極電壓源301的幅值，分別設(shè)置為2V、4V、6V、8V、10V，然后重復(fù)步驟III的操作，測量功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間與對應(yīng)漏極電流變化的關(guān)系，再使用步驟IV的方法，可得到不同漏極電壓下，功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間與溫升△T(t)的關(guān)系曲線，如圖6所示。

VI、即通過測量該漏極電流下，功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間，得到延遲時(shí)間的溫度系數(shù)。使功率MOS器件101處在某個(gè)工作狀態(tài)下，測試該狀態(tài)下的功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間，再根據(jù)測得的該延遲時(shí)間隨溫度變化的溫度系數(shù)，可得到該功率下功率MOS器件101的溫升值。即實(shí)現(xiàn)了功率MOS器件101溫升的在線測量，也可通過該方法監(jiān)控功率MOS器件101在某功率下的溫升，來判定器件的工作狀態(tài)。

VII、使用本方法獲取的延遲時(shí)間的溫度系數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果十分吻合，都是ns級的，且重復(fù)性和一致性都很好，且本方法測試的溫升結(jié)果既與理論結(jié)果吻合，也與其他方法，如紅外法的測試結(jié)果具有一致性。該方法既解決了功率MOS器件的溫升在線測量的難題，也為獲取器件在某個(gè)狀態(tài)下的溫升提供了一條很有效、便捷的途徑。

VIII、補(bǔ)充說明：

1、功率MOS器件施加功率后，持續(xù)工作狀態(tài)5-10分鐘范圍的依據(jù)：功率MOS器件在該功率下，由于器件產(chǎn)生溫升，會引起器件遷移率的降低，導(dǎo)致電流密度減小，漏極電流會降低，則需要微調(diào)柵極電壓，使得電流保持在設(shè)定的值，該狀態(tài)持續(xù)大約5-10分鐘(不同器件會有差異)后，器件會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。再施加測試脈沖信號，所測的開啟延遲即是該電流對應(yīng)溫升下的延遲時(shí)間。

2、柵極脈沖電壓信號的脈寬10μs-50μs，電壓幅值為500mV-2V的選取依據(jù)：所施加的脈沖信號必須引起的溫升很小，對測量帶來的影響可以忽略不計(jì)。脈沖信號的脈寬為10μs-50μs，則引起的溫升變化很小。幅值500mV-2V的選取則是為了便于示波器讀取和分析數(shù)據(jù)。在線測溫的過程中，柵極脈沖電壓信號的脈寬和幅值確定后，根據(jù)一致性原則，不同漏極電壓和電流下，柵極脈沖電壓信號的脈寬和幅值需不變。

3、電容601的電容值約為1μF的選取是為了克服功率MOS器件柵-源寄生電容的影響(C_GS一般約為幾千pF)，電容601的電容值稍微大于器件本身的寄生電容就行，也不能太大，太大會對柵極脈沖電壓信號影響。

4、調(diào)節(jié)示波器701(帶寬大于1GHz)，等比例放大兩信號的脈沖開啟上升部分至100mV/div，100ns/div檔位的設(shè)置原因：示波器的選取時(shí)模擬帶寬需大于1GHz,因?yàn)楣β蔒OS器件柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間的數(shù)量級是ns級的(大約100ns左右)，則需1GHz以上示波器才能區(qū)別出該延遲時(shí)間；放大開啟上升沿的檔位設(shè)置100mV/div，100ns/div則是考慮示波器采集的信號進(jìn)行放大后，信號失真小，干擾低，及便于延遲時(shí)間的讀取。

5、兩脈沖處于同一條零點(diǎn)線位置，讀取兩信號距離零點(diǎn)100mV的位置的差值的選取原因：將示波器中采集的兩脈沖信號放大后，調(diào)節(jié)到同一條零點(diǎn)線位置，然后取脈沖信號上升沿的約百分之五位置(由于讀取的延遲時(shí)間很小，都是ns級的，業(yè)內(nèi)都認(rèn)可讀取兩信號距離零點(diǎn)線位置5％-10％位置的時(shí)間差值即是開啟延遲時(shí)間)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所涉及測試裝置的示意圖

圖中序號對應(yīng)的名稱如下：

功率MOS器件101 散熱平臺201 漏極電壓源301

柵極電壓源302 信號發(fā)生器401 0.01Ω采樣電阻501

柵極電阻502 柵極并聯(lián)電容601 示波器701

圖2功率MOS器件101的柵極電壓信號與采樣電阻501對應(yīng)的電壓變化

其中：V_GS-t的波形為示波器采集的功率MOS器件101柵極電壓變化，I_DS-t的波形為采樣電阻502上對應(yīng)的電流變化。圖中，t_heating部分為直流工作5分鐘至穩(wěn)態(tài)時(shí)間，t_pulse部分為功率MOS器件柵極所加50us脈沖電壓信號與采樣電阻的對應(yīng)電流變化。

圖3示波器處理后的功率MOS器件柵極脈寬電壓信號與對應(yīng)漏極電流變化的開啟延遲關(guān)系。

其中：曲線1為示波器采集的功率MOS器件101柵極電壓，曲線2為采樣電阻502上對應(yīng)的電壓變化。V₀為開啟延遲讀取的參考點(diǎn)，t₂-t₁即為功率MOS器件漏電流與柵極脈沖信號的延遲時(shí)間。

圖4功率MOS器件漏極電流與柵極脈沖電壓信號開啟延遲Delay與漏極電流I_DS的關(guān)系曲線。

圖5功率MOS器件漏電流與柵極脈沖電壓信號開啟延遲Delay與溫升△T(t)的關(guān)系曲線。

圖6不同的漏極電壓下，功率MOS器件柵極脈沖電壓信號與對應(yīng)漏極電流變化的開啟延遲Delay與溫升△T(t)的關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式：

首先將功率MOS器件101放置在平臺201上。連接好功率MOS器件101的柵、源、漏導(dǎo)線，柵極電壓源302正極連接到柵極電阻502的一端，柵極電壓源302負(fù)極連接到功率MOS器件101的源極，柵極電阻502的另一端連接到功率MOS器件101的柵極。信號發(fā)生器401的輸出正極連接到柵極并聯(lián)電容601的一端，信號發(fā)生器401的輸出負(fù)極連接到功率MOS器件101的源極，且與柵極電壓源共地GND1，柵極并聯(lián)電容601的另一端連接到功率MOS器件的柵極，形成與柵極電阻502的并聯(lián)。漏極電壓源301的正極連接到功率MOS器件101的漏極，漏極電壓源301的負(fù)極連接到0.01Ω采樣電阻501的一端，且形成共地GND2，采樣電阻501的另一端連接到功率MOS器件101的源極。示波器701的通道channel 1探頭的正端連接到功率MOS器件的柵極，負(fù)端連接到功率MOS器件101的源極。示波器701的通道channel 2采用差分探頭采集信號，正端連接到采樣電阻501與功率MOS器件101源極連接的一端，另一端連接到與采樣電阻501與漏極電壓源負(fù)極連接的那端。

然后，調(diào)節(jié)漏極電壓源301到2V，調(diào)節(jié)柵極電壓源302，使得漏極電壓源301的輸出電流為1A，即此時(shí)流過功率MOS器件的電流為1A，持續(xù)此工作狀態(tài)5分鐘，使得功率MOS器件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。接著調(diào)節(jié)信號發(fā)生器401，產(chǎn)生一個(gè)脈寬為50μs，幅值為2V的脈沖電壓信號，通過電容值約為1μF電容601疊加在功率MOS器件101的柵極，此時(shí)，使用示波器701采集功率MOS器件101的柵-源電壓和采樣電阻501的電壓變化。然后，調(diào)節(jié)示波器701，等比例放大兩信號的脈沖上升部分至100mV，100ns檔位，使得兩脈沖處于同一條零點(diǎn)線位置，然后，讀取兩信號距離零點(diǎn)100mV的位置的差值，則該差值即是功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間。

保持漏極電壓源301幅值2V不變，調(diào)節(jié)柵極電壓源302，使得漏極電壓源301的輸出電流分別為2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A，然后，再分別待其工作5分鐘到穩(wěn)態(tài)后，重復(fù)步驟II的條件和方式，分別采集該漏電流下的功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間。然后，功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間Delay與漏電流I_DS的關(guān)系曲線。再根據(jù)步驟IV，做功率MOS器件漏電流與柵極脈沖電壓信號開啟延遲Delay與溫升△T(t)的關(guān)系曲線。則得到該漏-源電壓下，功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間的溫度系數(shù)。

改變漏極電壓源301的幅值，分別設(shè)置為2V、4V、6V、8V、10V，然后重復(fù)步驟III的操作，測量功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間與對應(yīng)漏極電流變化的關(guān)系，再使用步驟IV的方法，可得到不同漏極電壓下，功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間與溫升△T(t)的關(guān)系曲線。即得到，不同漏極電壓下，功率MOS器件101柵極測試脈沖電壓信號與對應(yīng)漏電流變化的開啟延遲時(shí)間的溫度系數(shù)。

將功率MOS器件處于某個(gè)工作狀態(tài)直至穩(wěn)態(tài)后，在功率MOS器件的柵極接入一個(gè)脈沖時(shí)間為50μs，電壓幅值為2V的脈沖電壓信號。通過測量功率MOS器件柵極脈沖電壓信號與對應(yīng)的漏極電流變化之間的開啟延遲時(shí)間，再利用該延遲時(shí)間隨溫度變化的溫度系數(shù)，得到功率MOS器件在該狀態(tài)下的溫升。