器件串联电阻对脉冲电流结温测试方法影响研究

郑世棋 李 灏 翟玉卫 刘 岩 韩 伟 吴爱华

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

1 引 言

半导体器件结温是表征器件散热性能的关键参数，直接影响器件可靠性及寿命，随着器件向着小型化、高集成度、高功率水平不断发展，结温准确测量的重要性不断凸显。在多种结温测量方法中，电学法以非破坏性、高灵敏度、操作简便等突出优点，在封装器件结温测试领域得到广泛应用。

目前电学结温测试法主要存在开关式及非开关式，传统方法为开关式，以微小电流作为测量电流，在对器件施加工作电流至结温稳定后，断开工作电流并切换至测量电流进行结温测试。该切换过程不可避免会带来测温误差，据Kuball等报道，1μs的时间延迟就可能导致温度变化超过100℃，严重影响结温测量结果的准确性。

鉴于开关式方法所存在的问题，基于脉冲法的非开关式结温测量方法逐渐受到广泛关注，且由于其实时性、在线性的优点，成为国内外器件测温领域的重要研究方向。美国NIST实验室ZongYuqin利用脉冲法对LED结温进行了测量，温怀疆等分析了脉冲大电流方法中脉宽对LED结温测量影响，朱阳军等人利用脉冲大电流方法对晶体管结温进行了测试。这些研究工作对脉冲大电流方法的发展做出了有益探索，但均是在忽略串联电阻存在的条件下开展。郭春生等人针对器件串联电阻对校温曲线的影响进行了分析，但未涉及串联电阻对测温过程的影响。

本文针对脉冲大电流法结温测试过程中，串联电阻对结温测试结果的影响进行了研究。以SiC肖特基二极管器件为研究对象，对其串联电阻及热分布情况进行了整体分析。通过搭建脉冲大电流法测量装置，进行了实验测试工作。结果显示，测温过程中键合线存在电流自热效应，温度显著高于芯片温度，其电阻阻值相对校温过程的变化，是影响测温结果准确性的重要因素。

2 串联电阻影响分析

2.1 测温原理

半导体器件电学法结温测试主要包括校温和测温两个步骤。

1)校温过程

利用控温装置将被测器件控制在特定温度下，对器件施加测试电流，测量其温度敏感电学参数，本质上是建立起敏感电学参数同温度之间的对应关系。通常，温度敏感电学参数选择结电压(PN结或肖特基结)，可适用于绝大多数分立器件。某二极管器件典型校温曲线如图1所示。

图1 某典型二极管器件校温曲线图Fig.1 Temperature calibration curve of a typical diode device

2)测温过程

给器件施加工作电流，待结温达到稳定后，对器件施加测试电流，获得此时温度敏感电学参数，并利用上面建立的校温曲线关系，推知结温信息。

无论是开关式还是非开关式测温方法，均遵循上述基本测温原理及步骤。其区别在于，传统小电流测温方法(开关式)是以微小电流作为测试电流，而脉冲大电流方法(非开关式)是直接以工作电流为测试电流，在器件工作同时测量其结电压。为了避免大电流条件下器件自热对校温过程的影响，脉冲大电流法校温过程中采用脉冲电流，幅值同工作电流一致，脉宽选取以不引起器件自热为原则。

2.2 串联电阻影响

电学法成立的基本前提是，对于同一结温温度，校温过程和测温过程器件的热分布状态应基本一致。事实上，校温过程利用控温平台将器件整体控制在该温度，同测温过程中器件加电自热至此温度相比，两者状态不可避免存在差异。

对此，选择典型SiC肖特基二极管器件进行了两种状态下的热分布分析，SiC为宽禁带半导体材料，具有良好的耐高温特性，能满足高结温测试条件的需求。器件结构如图2所示，芯片上表面为阳极，通过键合线同器件正管脚连接，背面为阴极，通过焊料同导电底板和负管脚连通。校温过程中，控温装置为热源，热量从下到上依次扩散，理想情况下，认为器件各部分温度同控温台基本一致。测温过程中，主要热源为通电后的芯片，其热量向芯片上下的其他部分进行扩散，此时控温装置起恒温热沉作用，则芯片温度最高，导电底板温度偏低(介于芯片温度与控温装置温度之间)，但事实上，由于回路中有较大电路通过，键合线及导电底板也可能出现额外自热。

图2 典型SiC肖特基二极管器件简化结构示意图Fig.2 Schematic diagram of simplified structure of the typical SiC schottky diode device

校温过程同测温过程热分布状态的不一致，会导致两状态下串联电阻阻值发生变化，是影响温度敏感电压一致性的关键原因。如图3所示为二极管简化电学模型的示意图，其中主要串联电阻包括键合线电阻、二极管芯片体电阻、焊料电阻、基板电阻及相关接触电阻。考虑到二极管芯片结构紧凑，可将理想二极管、二极管体电阻、焊料电阻的温度视为接近，记为

T

；键合线电阻和基板电阻温度分别为

T

、

T

；

T

则是器件直接测量得到的整体温度。在校温过程中，各部分温度视为基本一致，即

T

、

T

、

T

相等。测温过程中，考虑到大电流下的自热效应，键合线电阻及基板电阻均有可能产生自热温升，键合线上温度

T

可能高于其他部分温度，基板电阻温度

T

受热沉控温效应和自热效应共同作用，温度情况不明确，总之，键合线电阻

T

及基板电阻

T

均有可能同

T

不再一致。温度差异会带来电阻值的变化，并进一步反映到测量的温度敏感电压上，影响测温结果。

图3 二极管简化电学模型示意图Fig.3 Simplified electrical model of diode device

2.3 实验测试

为了进一步研究串联电阻对测温结果的影响，搭建了如图4所示的脉冲大电流校温装置，使用Keysight B1505A半导体参数测试仪输出脉冲电流，并同步测量脉冲电压值。脉宽采用300μs，以确保脉冲电流作用下器件不发生明显自热效应。控温平台用于将被测器件控制在特定温度下，以模拟不同结温的工作状态。被测器件为自制SiC肖特基二极管，封装形式采用TO-258管壳，键合线为铝丝。回路采用四线连接，以避免回路引线电阻带来的影响。

图4 脉冲大电流法校温装置原理图Fig.4 Temperature calibration equipment of pulsed large current method

图5 校温数据中器件各部分电压随温度变化情况曲线图Fig.5 Relationship between the voltages and temperatures of each part of the device

利用校温装置，在30℃～80℃不同温度下，对器件内部各部分进行电压测量，获得电压随温度的变化量，如图5所示，变化量以30℃基准状态为参照。其中，温度敏感电压为器件正负管脚间的总体电压，对应器件整体温度

T

；芯片电压为芯片阳极到阴极焊料的电压，对应芯片结温和焊料层的温度

T

；键合线电压为器件正管脚到键合线末端的电压，对应键合线的温度

T

；基板电压为器件基板到器件负管脚的电压，对应温度

T

。可以看到，在整体的温度敏感电压变化量中，占主要部分的是芯片部分的电压，其次是键合线上的电压，基板电压则变化微小。可以认为，对该被测器件而言，主要影响测温结果的串联电阻为键合线上的电阻，基板电阻可以忽略。

利用测量得到的校温数据，能够得到各部分校温曲线，并进一步拟合得到校温公式如式(1)～式(3)，分别如图6～图8所示，该公式能够用于后续测温过程中各部分电压数据向温度数据的转换。

U

=1

.

102×10

T

+3

.

539×10

T

+1

.

274

(1)

U

=1

.

213×10

T

-1

.

226×10

T

+1

.

204

(2)

U

=2

.

249×10

T

+2

.

142×10

T

+7

.

288×10

(3)

图6 器件总体校温曲线图Fig.6 Temperature calibration curve of the whole device

图7 芯片校温曲线图Fig.7 Temperature calibration curve of the chip

图8 键合线校温曲线图Fig.8 Temperature calibration curve of the bonding wire

为了对各部分温度进行测量，搭建了如图9所示的脉冲大电流法测温装置，其中，直流电流源用于输出器件直流工作电流，电压表用于测量器件电压。控温平台温度固定在30℃充当热沉。器件工作状态下的各部分电压测量数据，见表1。

图9 脉冲大电流法测温装置原理图Fig.9 Temperature measuring equipment of pulsed large current method

表1 器件工作状态电压Tab.1 Voltages of the device under working state工作电流敏感参数电压芯片电压键合线电压5A1.326V1.227V0.093V

利用式(1)至式(3)，对表1数据进行处理，得到各部分温度信息，见表2。

表2 器件温度信息Tab.2 Temperature information of the device工作电流整体温度T0芯片温度T2键合线温度T15A54.6℃44.5℃90.5℃

由表2数据可知，由于键合线部分自发热原因，其温度大大高于芯片部分温度，导致测量得到的整体温度偏高。

为了对上述实验结果进行验证，使用红外法对器件温度分布进行了观测，得到如图10所示的温度分布图。可以看到，键合线部分温度明显高于其他部分，同电学法测量分析情况吻合。

图10 器件实际结构及红外温度分布图Fig.10 Actual structure and infrared temperature distribution of the device

3 结束语

针对脉冲大电流法中串联电阻对结温测试准确性造成影响的情况，以功率二极管器件为研究对象，开展了研究工作。分析表明，器件内串联电阻在校温过程及测温过程中热分布状态差异，是导致上述影响的主要原因。实验结果显示，被测器件键合线在大电流自热效应下，温度显著高于芯片结温，导致器件整体测温结果偏高。

考虑到焊料层厚度小且同芯片紧密接触，对焊料层电阻进行了温度等同于芯片温度的简化假设，为进一步提高结果准确性，将在今后工作中做针对性细化研究。同时，由于不同器件间结构、材料差异较大，其他类型器件内串联电阻影响的具体情况，也是后续研究工作的重点内容。