[發明專利]一種雙極型晶體管器件熱阻構成測量裝置與方法

有效

• 申請號: 201910003679.2
• 申請日: 2019-01-03
• 公開（公告）號: CN109738777B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 馮士維;肖宇軒;石幫兵;白昆;何鑫
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種雙極型晶體管器件熱阻構成測量裝置與方法，屬于雙極型晶體管器件可靠性設計和測試領域。本發明設計了集電極?地連接高速開關和發射極?地連接高速開關，通過這兩個開關實現測量基極?集電極(V_BC)壓降，由此得到雙極型晶體管溫升與熱阻構成。測試中，首先得到溫敏參數；然后給被測雙極型晶體管器件施加工作電壓，使器件升溫，待器件達到穩定狀態，斷開工作電壓，接通測試電流，采集基極?集電極的電壓，對應得到器件降溫曲線，再使用結構函數法處理分析，就可以得到雙極型晶體管的熱阻構成。本發明提出一種不同于目前其他儀器測量基極?發射極(V_BE)壓降的方法，測量方式更加合理，測量結果更加準確。

技術領域

該技術屬于雙極型晶體管器件可靠性設計和測試領域。該發明主要應用于快速、非破壞性確定雙極型晶體管熱阻構成的裝置和方法。

背景技術

雙極型晶體管(BJT)又稱三極管、晶體雙極型晶體管，是一種控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號，也用作無觸點開關。盡管現在MOS器件運用更加廣泛，但是雙極型晶體管在射頻(RF)、汽車電子等領域依然有著不可替代的作用。而且隨著SiC BJT 的發展，克服了Si BJT擊穿電壓、工作溫度和轉換頻率等劣勢，雙極型晶體管又重新引起人們的關注。

熱阻是熱流(功率)流過導熱體時受到的阻力，會在導熱體上產生溫差。對于半導體器件，在工作時施加一定的功率，電熱效應產生的熱量會導致有源區溫度升高。由于半導體材料的熱敏特性，晶體管的參數幾乎都會隨著溫度改變而變化，造成雙極型晶體管工作點發生偏移甚至失效。雙極型晶體管溫升的影響因素也與芯片到周圍環境散熱途徑有關，包括半導體材料的芯片、焊料、封裝管科和熱沉等。

現有技術中，半導體器件的溫升和熱阻的測試方法多采用電學法，相關標準有美軍標MIL-STD-750E 3101.4、國軍標128A-97.3103等。目前國內外廣泛選取基極-集電極電壓(V_BE)電壓變化作為溫敏參數，測試雙極型晶體管的熱阻。但是，由于雙極型晶體管正常工作時，發射結正偏、集電結反偏，電子集中于集電結，使得集電結溫度高于發射結，采用基極- 集電極(V_BC)電壓作為溫敏參數更加接近真實溫度。

發明內容

本發明的主要發明點在于：選取基極-集電極電壓(V_BC)作為測量的溫敏參數；設計被測雙極型晶體管集電極-地和發射極-地電壓信號控制的快速切換開關；雙極型晶體管工作時發射極-集電極功率的快速切換開關；采用FPGA設計了基極-發射極電壓、基極-集電極測試電流的采集和設定功能。在進行電學法測量雙極型晶體管器件的溫升和熱阻構成時，利用采集雙極型晶體管集電結的瞬態溫升曲線，可以便捷、無損地獲取雙極型晶體管器件熱阻構成信息。測量操作優化、測量周期減少且測量方式不同于目前國內外的儀器。

基于這些發明點，本裝置能夠實現被測雙極型晶體管器件基極-發射極電壓和集電極-發射極電壓信號控制的切換開關的切換間隔小于5μs，處于同類儀器的先進水平，電壓采樣精度為16-bit，采集瞬態溫升的采樣頻率為1MHZ。

雙極型晶體管器件熱阻構成測試儀裝置的特征在于：

該裝置包括：計算機100，串口轉USB模塊101，可測量雙極型晶體管溫升和熱阻構成的測試儀200，被測雙極型晶體管器件工作電源301，被測量雙極型晶體管器件302，恒溫平臺303；

測試儀200包含FPGA單元201，集電結-地連接開關202，發射極- 地連接開關203，雙極型晶體管工作電源開關204，雙極型晶體管器件測試電流源205，雙極型晶體管基極驅動模塊206，電壓電流采集單元207，工作電流采樣電阻208。