СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ТЕПЛОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2017 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик полупроводниковых изделий и может быть использовано для измерения переходных тепловых характеристик полупроводниковых приборов и интегральных схем как на этапах их разработки и производства, так и на входном контроле предприятий-потребителей или при выборе режимов эксплуатации.

Ключевой задачей контроля тепловых свойств полупроводниковых изделий ( ППИ) является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы, по которым можно рассчитать температуру активной области (p-n-перехода) ППИ в любом заданном режиме работы изделия. В приближении одномерной тепловой схемы ППИ (см. Давидов П.И. Тепловые режимы работы полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1967. - 157 с.) задача сводится к определению набора значений тепловых сопротивлений (R_Ti) и теплоемкостей (C_Ti) или тепловых постоянных времени (τ_Ti=R_Ti⋅C_Ti) отдельных элементов и слоев материалов, составляющих конструкцию ППИ. Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) H(t) ППИ, то есть по изменению температуры Δθ_n(t) активной области ППИ при его саморазогреве ступенчатой электрической мощностью заданной величины P₀: H(t)=Δθ_n(t)/P₀.

Известен способ измерения ПТХ ППИ с p-n-переходами (см. IC Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) EIA/JEDEC JESD51-1 standard // http://www.jedec.org/download/search/jesd51-1.pdf), состоящий в том, что на изделие с внешнего источника подают ступеньку электрической греющей мощности заданной величины, в процессе разогрева изделия в определенные моменты времени t_i на короткий временной интервал (длительностью до нескольких десятков микросекунд) греющую мощность отключают, с помощью внешнего источника тока через контролируемый p-n-переход пропускают малый ток в прямом направлении и измеряют температурочувствительный параметр (ТЧП) - прямое падение напряжения на p-n-переходе - температурный коэффициент K_U которого известен, приращение температуры Δθ_n(t_i) p-n-перехода в момент времени t_i определяют по изменению ТЧП

,

где U_p-n(0) - падение напряжения на p-n-переходе до разогрева изделия, U_p-n(t_i) - падение напряжения на p-n-переходе в момент времени t_i.

Этот метод реализован, в частности, в установке T3Ster - Thermal Transient Tester (см. T3Ster - Thermal Transient Tester // www.mentor.com/micred).

Недостатком указанного способа измерения ПТХ является значительная погрешность измерения ТЧП - прямого падения напряжения на контролируемом p-n-переходе - сразу же после выключения греющей мощности из-за влияния паразитных переходных электрических процессов, возникающих в p-n-переходе ППИ при переключении ПНИ из режима нагрева в измерительный режим (см., например, Сергеев В.А., Юдин В.В. Измерение тепловых параметров полупроводниковых изделий с применением амплитудно-импульсной модуляции греющей мощности // Измерительная техника. - 2010. - №6. - С.32-39). Для снижения этой погрешности измерение ТЧП необходимо проводить через некоторое время задержки после выключения греющей мощности, за которое электрический переходный процесс в основном завершится; за это время температура p-n-перехода может заметно измениться. При этом постоянная времени релаксации электрических процессов заранее неизвестна, сильно зависит от величины греющей мощности и может значительно отличаться от образца к образцу.

Технический результат - повышение точности измерения переходной тепловой характеристики полупроводниковых изделий.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, состоящем в разогреве полупроводникового изделия потребляемой электрической мощностью известной величины и в измерении в определенные моменты времени в процессе разогрева полупроводникового изделия температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом, по изменению которого рассчитывают приращение температуры активной области полупроводникового изделия, греющую мощность задают путем подачи на вход (на определенные выводы) полупроводникового изделия, подключенного к источнику питания, последовательности прямоугольных импульсов напряжения заданной амплитуды и длительности с частотой следования , измеряют среднюю за период следования прямоугольных импульсов напряжения мощность P_nom, потребляемую полупроводниковым изделием, разность фаз между входным импульсным напряжением и импульсным напряжением на выходе (на выходных выводах) полупроводникового изделия преобразуют в напряжение U_τ(t), в заданные моменты времени t_i значения напряжения U_τ(t) запоминают и значения переходной тепловой характеристики полупроводникового изделия в моменты времени t_i определяют по формуле

,

где K_τ - относительный температурный коэффициент времени задержки сигнала в полупроводниковом изделии, а U_τ(0) - значение напряжения U_τ(t) в начале нагрева полупроводникового изделия, то есть при t₀≈0.

В основе предложенного способа лежат два процесса: разогрев ППИ поглощаемой электрической мощностью и изменение времени τ_зад задержки сигнала в ППИ с ростом температуры. Время задержки сигнала в ППИ практически всех классов в той или иной степени зависит от температуры; причем для многих классов ППИ τ_зад линейно растет с увеличением температуры в диапазоне рабочих температур. В частности, относительный температурный коэффициент времени задержки распространения сигнала в логических элементах КМОП цифровых интегральных схем (ЛИС) составляет величину порядка 0,2-0,3%/°С и является практически постоянным в диапазоне от 0 до 100°С (см., например, Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 75).

При подаче на вход ППИ периодической последовательности импульсов напряжения задержка распространения сигнала в ППИ приведет к появлению разности фаз между входными и выходными импульсами напряжения: . Преобразуя эту разность фаз в напряжение любым известным способом (см., например, А.с. №1337811 СССР G01K 25/00 Преобразователь разности фаз в напряжение / A.M. Фиштейн. - Опубл. 15.09.1987, бюл. 34), получим напряжение U_τ(t), линейно зависящее от времени τ_зад задержки: , где S - крутизна преобразования разности фаз в напряжение.

При постоянной амплитуде и частоте входных импульсов напряжения средняя за период мощность P_nom, потребляемая ППИ, в достаточно широком диапазоне изменения температуры активной области ППИ будет постоянной P_nom≈const. По мере разогрева ППИ потребляемой мощностью время задержки сигнала будет линейно изменяться с ростом температуры Δθ_n(t): τ_зад(t)=τ_зад(0)[1+K_τΔθ_n(t)], τ_зад(0) - время задержки сигнала в начале нагрева (в момент времени t₀=0) и соответственно будет изменяться U_τ(t):

.

Откуда

или .

Измерить значение U_τ(t) в момент времени t₀=0 невозможно, поэтому при практической реализации способа вместо U_τ(0) принимается значение напряжения U_τ(t), измеренное в момент времени t₀ через некоторый промежуток времени после подачи импульсов на вход ППИ, длительность которого много меньше тепловой постоянной времени кристалла ППИ.

Технический результат - повышение точности измерения ПТХ - достигается за счет исключения паразитных переходных электрических процессов в ППИ, искажающих результат измерения температуры, поскольку в предлагаемом способе операции переключения ППИ из режима нагрева в режим измерения отсутствуют.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ. На фиг. 2 представлены эпюры сигналов, поясняющие сущность способа и принцип работы устройства.

Структурная схема устройства для измерения ПТХ предложенным способом приведена применительно к таким классам ППИ, для которых потребляемой мощностью по входным цепям по сравнению с мощностью, потребляемой от источника сигнала, можно пренебречь, например биполярные, полевые и IGBT транзисторы, операционные усилители, КМОП цифровые и аналоговые интегральные схемы и др. В общем случае, при измерении ПТХ ППИ, в зависимости от схемы включения ППИ, следует учитывать также и мощность, потребляемую ППИ от источника сигнала, и мощность, выделяющуюся в нагрузке.

Устройство содержит контролируемое полупроводниковое изделие 1, источник 2 питания с известным выходным напряжением питания E_num, генератор прямоугольных импульсов 3, токосъемный резистор 4 с известным сопротивлением R, преобразователь 5 разности фаз в напряжение, устройство управления 6, управляемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, цифровой вольтметр 8 среднего значения переменного напряжения, вычислитель 9 и индикатор 10.

Устройство работает следующим образом. После подключения контролируемого ППИ 1 к источнику питания 2 через токосъемный резистор 4 по сигналу «Пуск» включается устройство управления 6, а генератор прямоугольных импульсов 3 начинает вырабатывать последовательность прямоугольных импульсов напряжения U_вх(t) (фиг. 2, а) заданной амплитуды и длительности с частотой следования , которые поступают на вход контролируемого ППИ и на один из входов преобразователя разности фаз в напряжение 5, на второй вход которого поступает импульсное напряжение U_вых(t) с выхода ППИ (фиг. 2, б), сдвинутое относительно входного импульсного напряжения на некоторое время задержки (фиг. 2, в), напряжение U_τ(t) с выхода преобразователя 5 разности фаз в напряжение (фиг. 2, г) поступает на вход АЦП 7. В течение T_Ц цикла измерения устройство управления 6 в заданные моменты времени t_i вырабатывает короткие управляющие импульсы U_У1 (рис. 2, д), которые поступают на управляющий вход АЦП; число N управляющих импульсов определяется требуемым числом точек ПТХ. Значения напряжения, измеренные в моменты времени t_i, передаются в вычислитель 9. В некоторый момент времени t_k в течение цикла измерения по сигналу устройства управления цифровой вольтметр 8 среднего значения переменного напряжения измеряет среднее за период следования греющих импульсов напряжение на токосъемном резисторе 4 и также передает измеренное значение в вычислитель 9. Вычислитель 9 по известным значениям E_num и R и измеренному значению вычисляет потребляемую ППИ мощность по формуле , - средний за период следования греющих импульсов ток, потребляемый НИИ, затем рассчитывает значение переходной тепловой характеристики ППИ по формуле

и передает массив данных {ti, H(t_i)} на индикатор 10, который отображает эту информацию в удобной для оператора форме.

Следует отметить, что время задержки у современных ППИ мало и составляет от нескольких десятков до единиц и даже долей наносекунд. Для снижения погрешности измерения ПТХ предложенным способом рекомендуется выбирать значение близким к верхнему значению рабочей частоты переключения ППИ, а для однозначности преобразования U_τ(t~τ_зад) длительность импульсов и паузы между ними необходимо выбирать заведомо больше времени задержки сигнала. Так, при времени задержки τ_зад=10 нс, частоте следования импульсов , длительности импульсов 50 нс и при крутизне преобразования разности фаз в напряжение 2Sπ=20 В получим U_cp=2 В. Такое значение может быть измерено современными АЦП с погрешностью в доли процента за несколько микросекунд. Эти метрологические характеристики не уступают характеристикам прототипа - установки T3Ster.

Использование: для контроля тепловых характеристик полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сущность изобретения заключается в том, что разогревают полупроводниковое изделие путем подачи на вход (на определенные выводы) полупроводникового изделия, подключенного к источнику питания, последовательности прямоугольных импульсов напряжения заданной амплитуды и длительности с частотой следования , измеряют среднюю за период следования прямоугольных импульсов напряжения мощность P_пот, потребляемую полупроводниковым изделием, разность фаз между входным импульсным напряжением и импульсным напряжением на выходе (на выходных выводах) полупроводникового изделия преобразуют в напряжение U_τ(t), в заданные моменты времени t_i значения напряжения U_τ(t) запоминают и значения переходной тепловой характеристики полупроводникового изделия в моменты времени t_i определяют по формуле

,

где K_τ - относительный температурный коэффициент времени задержки сигнала в полупроводниковом изделии, а U_τ(0) - значение напряжения U_τ(t) в начале нагрева полупроводникового изделия, то есть при t₀≈0. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения переходной тепловой характеристики полупроводниковых изделий. 2 ил.

Способ измерения переходной тепловой характеристики полупроводниковых изделий, состоящий в разогреве полупроводникового изделия потребляемой электрической мощностью известной величины и в измерении в определенные моменты времени в процессе разогрева полупроводникового изделия температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом, по изменению которого рассчитывают приращение температуры активной области полупроводникового изделия, отличающийся тем, что греющую мощность задают путем подачи на вход (на определенные выводы) полупроводникового изделия, подключенного к источнику питания, последовательности прямоугольных импульсов напряжения заданной амплитуды и длительности с частотой следования , измеряют среднюю за период следования прямоугольных импульсов напряжения мощность Р_пот, потребляемую полупроводниковым изделием, разность фаз между входным импульсным напряжением и импульсным напряжением на выходе (на выходных выводах) полупроводникового изделия преобразуют в напряжение U_τ(t), в заданные моменты времени t_i значения напряжения U_τ(t) запоминают и значения переходной тепловой характеристики полупроводникового изделия в моменты времени t_i определяют по формуле

где К_τ - относительный температурный коэффициент времени задержки сигнала в полупроводниковом изделии, a U_τ(0) - значение напряжения U_τ(t) в начале нагрева полупроводникового изделия, то есть при t₀≈0.