該技術(shù)屬于功率MOS器件可靠性設(shè)計(jì)和測(cè)試領(lǐng)域。該發(fā)明主要應(yīng)用于快速、非破壞性確定功率MOS器件熱阻構(gòu)成的裝置和方法。

背景技術(shù)：

隨著功率MOS器件朝著高壓、大電流的方向發(fā)展，其在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量很高，導(dǎo)致器件有源區(qū)溫度升高，將加速功率MOS器件的性能惡化。功率MOS器件溫升的影響因素也與有源區(qū)到周圍環(huán)境散熱的路徑中，各環(huán)節(jié)材料散熱特性相關(guān)，包括半導(dǎo)體材料的芯片、焊料、封裝管殼和熱沉等。因此，準(zhǔn)確測(cè)量出功率MOS器件工作時(shí)的溫升可以分析器件的封裝散熱特性，也可以用來評(píng)估功率MOS器件的工作狀態(tài)。

現(xiàn)有技術(shù)中，功率MOS器件的溫升和熱阻的測(cè)試方法多采用電學(xué)法，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有美軍標(biāo)MIL-STD-750E 3101.4，國(guó)軍標(biāo)128A-97.3103等。相關(guān)儀器有Phase11熱阻測(cè)試儀和T3Ster熱阻測(cè)試儀，但兩款儀器價(jià)格高昂，測(cè)量技術(shù)操作復(fù)雜，測(cè)量周期長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要發(fā)明點(diǎn)在于:設(shè)計(jì)了被測(cè)功率MOS器件漏-源電壓和柵-源電壓信號(hào)控制的快速切換開關(guān)；漏-源大電流工作的快速切換開關(guān)；采用FPGA設(shè)計(jì)了漏-源電壓、柵-源電壓和漏-源電流的采集和設(shè)定功能。在進(jìn)行電學(xué)法測(cè)量功率MOS器件的溫升和熱阻構(gòu)成時(shí)，利用采集功率MOS器件源-漏寄生二極管的瞬態(tài)溫升過程曲線技術(shù)，可以便捷、無損地獲取功率MOS器件熱阻構(gòu)成信息。測(cè)量操作優(yōu)化，測(cè)量周期較國(guó)外同類型儀器有很大減小。

基于這些發(fā)明點(diǎn)，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)被測(cè)功率MOS器件漏-源電壓和柵-源電壓信號(hào)控制的切換開關(guān)的切換間隔小于5μs，處于同類儀器的先進(jìn)水平，電壓采樣精度為16-bit，采集瞬態(tài)溫升的采樣頻率為1MHz。

功率MOS器件溫升和熱阻構(gòu)成測(cè)試儀裝置的特征在于：

該裝置包括：計(jì)算機(jī)100，可測(cè)量功率MOS器件芯片溫升和熱阻的測(cè)試儀200，被測(cè)功率MOS器件漏-源工作電源301，被測(cè)功率MOS器件302，恒溫平臺(tái)303；

測(cè)試儀200包含F(xiàn)PGA單元201，被測(cè)功率MOS器件測(cè)試電流源202，柵-源工作電壓源203，柵-源工作電源開關(guān)204，時(shí)序脈沖信號(hào)205，漏-源工作電源開關(guān)206，被測(cè)功率MOS器件工作電壓電流采集單元207，工作電壓電流采樣電阻208。

被測(cè)功率MOS器件302放置在可調(diào)溫的恒溫平臺(tái)303上；計(jì)算機(jī)100是控制中心，實(shí)現(xiàn)信號(hào)指令的發(fā)送，數(shù)據(jù)的傳輸和保存；計(jì)算機(jī)100通過時(shí)序信號(hào)控制FPGA單元201，分別接入測(cè)試電流源202，柵-源工作電壓源203，源工作電源開關(guān)204，漏-源工作電源開關(guān)206；FPGA單元產(chǎn)生的時(shí)序脈沖信號(hào)205連接在柵-源工作電源開關(guān)204的一端,柵-源工作電源開關(guān)204的另一端連接在被測(cè)功率MOS器件302的柵極；器件工作電壓電流采集單元207則連接在工作電壓電流采樣電阻208的兩端，并通過USB連接到計(jì)算機(jī)100；被測(cè)功率MOS器件漏-源工作電源301則連接在漏-源工作電源開關(guān)206的一端；漏-源工作電源開關(guān)206和測(cè)試電流源202的另一端則連接在工作電壓電流采樣電阻208的一端，工作電壓電流采樣電阻208的另一端連接在被測(cè)功率MOS器件302的漏極。

使用上述連接的設(shè)置，測(cè)量被測(cè)功率MOS器件302溫度系數(shù)的方法：

1)將被測(cè)功率MOS器件302接觸放置在可調(diào)溫度的恒溫平臺(tái)303上；連接好被測(cè)功率MOS器件302上的源、漏導(dǎo)線；設(shè)置恒溫平臺(tái)的溫度為T1；

2)通過計(jì)算機(jī)100設(shè)置被測(cè)功率MOS器件測(cè)試電流源202的測(cè)試電流值，該值小于所加載功率的漏-源工作電流的1％，以保證產(chǎn)生的升溫可以忽略。計(jì)算機(jī)100通過被測(cè)功率MOS器件工作電壓電流采集單元207采集該測(cè)試電流下的被測(cè)功率MOS器件302的漏-源電壓。

3)將恒溫平臺(tái)升高溫度到T2，重復(fù)步驟2，得到相同測(cè)試電流下的漏-源電壓。多次改變恒溫平臺(tái)溫度，重復(fù)步驟2的測(cè)量；然后利用最小二乘法計(jì)算出溫度系數(shù)α。

使用上述連接的裝置，測(cè)量被測(cè)器件溫升和熱阻的方法

I、將被測(cè)器件302接觸放置在可調(diào)溫度的恒溫平臺(tái)303上；連接好被測(cè)器件302柵、源、漏導(dǎo)線；設(shè)恒溫平臺(tái)溫度為T0；

II、啟動(dòng)測(cè)量程序，設(shè)置計(jì)算機(jī)發(fā)出指令給測(cè)試電流源，輸出與測(cè)量溫度系數(shù)時(shí)相同的測(cè)試電流(保持一致性)，一直加載在被測(cè)功率MOS器件漏-源兩端。通過被測(cè)功率MOS器件工作電壓電流采集單元207，采集此時(shí)未施加工作電流下的被測(cè)功率MOS器件漏-源電壓V₀；

III、通過計(jì)算機(jī)100設(shè)定加載工作電壓V_DS，工作電流I_DS，測(cè)試電流I_test，施加功率時(shí)間t_H，冷卻采集時(shí)間t_C；

IV、執(zhí)行測(cè)量程序，通過FPGA單元201產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令給測(cè)試電流源202、柵-源工作電壓源203、柵-源工作電源開關(guān)204、漏-源工作電源開關(guān)206。使得被測(cè)功率MOS器件處于設(shè)定工作電流下的工作狀態(tài)，待其工作施加功率時(shí)間t_H后，F(xiàn)PGA單元201產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令斷開柵-源工作電壓源203、柵-源工作電源開關(guān)204、漏-源工作電源開關(guān)206，同時(shí)受計(jì)算機(jī)控制的被測(cè)功率MOS器件工作電壓電流采集單元207采集被測(cè)功率MOS器件漏-源電壓V(t)，采集時(shí)間即為冷卻采集時(shí)間t_C；

V、利用測(cè)得的被測(cè)功率MOS器件溫度系數(shù)α，被測(cè)功率MOS器件的溫度隨時(shí)間的變化△T(t)＝[V(t)-V₀]/α，被測(cè)功率MOS器件302工作時(shí)加載的功率P＝V_DS*I_DS，則溫升除以功率就是熱阻，R_th(t)＝△T(t)/(V_DS*I_DS)。測(cè)試儀對(duì)ΔT(t)曲線進(jìn)行計(jì)算，得出被測(cè)功率MOS器件302的熱阻也就是被測(cè)功率MOS器件的熱阻構(gòu)成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所涉及測(cè)試裝置的示意圖

圖中序號(hào)對(duì)應(yīng)的名稱如下：

計(jì)算機(jī)100 柵-源工作電源開關(guān)204 漏-源工作電源301

測(cè)試儀200 時(shí)序脈沖信號(hào)205 被測(cè)功率MOS器件302

FPGA單元201 漏-源工作電源開關(guān)206 恒溫平臺(tái)303

測(cè)試電流源202 電壓電流采集單元207

柵-源工作電壓源203 工作電壓電流采樣電阻208

圖2溫升與加熱時(shí)間的過程曲線圖。

圖3具體實(shí)施方式中被測(cè)功率MOS器件熱阻構(gòu)成示意圖。

具體實(shí)施方式

首先將被測(cè)功率MOS器件302放置在可調(diào)溫度的恒溫平臺(tái)303上。連接好功率MOS器件302的柵、源、漏導(dǎo)線，計(jì)算機(jī)100是控制中心，實(shí)現(xiàn)信號(hào)指令的發(fā)送，數(shù)據(jù)的傳輸和保存。計(jì)算機(jī)100通過USB連接FPGA單元201，通過時(shí)序信號(hào)控制FPGA單元201，分別接入測(cè)試電流源202，柵-源工作電壓源203，柵-源工作電源開關(guān)204，漏-源工作電源開關(guān)206，計(jì)算機(jī)100通過USB與電壓電流采集單元207連接。

測(cè)量時(shí)，控制計(jì)算機(jī)100發(fā)出指令，測(cè)試電流源202產(chǎn)生與測(cè)量被測(cè)功率MOS器件的溫度系數(shù)相同的測(cè)試電流，接入被測(cè)功率MOS器件的漏-源兩端，被測(cè)功率MOS器件工作電壓電流采集單元207采集被測(cè)功率MOS器件在未加載工作電流下的源-漏寄生二極管的結(jié)電壓V₀。然后，計(jì)算機(jī)100產(chǎn)生指令，通過FPGA單元使得柵-源工作電壓源203產(chǎn)生設(shè)置的柵-源電壓，F(xiàn)PGA單元輸出時(shí)序脈沖信號(hào)205接入柵-源工作電源開關(guān)204，使得柵-源工作電壓源203產(chǎn)生的柵-源電壓施加在被測(cè)功率MOS器件柵-源兩端。FPGA單元同時(shí)控制漏-源工作電源開關(guān)206，使得漏-源工作電源301的電壓施加在被測(cè)功率MOS器件的漏-源兩端。則此時(shí)被測(cè)功率MOS器件處于工作狀態(tài)，被測(cè)功率MOS器件工作電壓電流采集單元207采集此時(shí)被測(cè)功率MOS器件的工作電壓V和工作電流I，得到功率P＝V_DS*I_DS。

當(dāng)被測(cè)功率MOS器件工作狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，計(jì)算機(jī)100發(fā)出指令，同時(shí)斷開柵-源工作電源開關(guān)204和漏-源工作電源開關(guān)206，同時(shí)電壓電流采集單元207采集被測(cè)功率MOS器件在小測(cè)試電流下，結(jié)電壓隨時(shí)間的降溫曲線，直到V(t)不再變化。則此時(shí)[V(t)-V0]/α就是被測(cè)功率MOS器件溫度隨時(shí)間變化過程曲線。再除以功率P，可得到被測(cè)功率MOS器件的熱阻，即熱阻R_th＝(V(t)-V0)/αP，對(duì)其曲線實(shí)施熱阻測(cè)試儀中的結(jié)構(gòu)函數(shù)處理功能，即得到從被測(cè)功率MOS器件的熱阻構(gòu)成曲線。