二极管静态热阻测量系统的设计

摘 要:二极管静态热阻测量是半导体封装技术可靠性测试的关键测量参数,由此可以衍生出Mosfet、IGBT、GTR等多种材料的测量方法,是半导体器件生产过程中的功率循环等后期可靠性试验的关键输入参数,从而对产品本身的质量和寿命评估具有非常重要的指导意义

关键词:热阻测量;封装技术;可靠性测试

中图分类号:TP31 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0019-02

一、热阻测量的意义和基本原理

本试验的目的是确定二极管器件的热性能,提高产品封装的可靠性、减小质量缺陷、降低生产成本,并对后期产品应用散热片尺寸设计提供了必要的数据。热阻通常使用两种测量方式,即静态热阻抗和瞬态热阻抗测试。静态热阻抗(简称为热敏电阻)确定元件的整体散热性能。通常半导体元件的热阻主要由Rthjl--结到引脚热阻,Rthjc-结到外壳热阻,Rthja--结到环境温度热阻三部分组成。其计算公式为:

RthJX=(TJ-TX)/P

静态热阻测量的主电路原理如图1-1所示,在测量出热阻系数k之后,

热阻参数的测量电路原理如下图所示:

二、K系数测量

K系数即半导体二极管正向电压温度曲线斜率,其计算公式为

K=T1–T2/(V1–V2)℃/mV

根据MIL-STD-750D标准中的规定首先要对二极管施加一个正向测量电流,该电流所产生的热量依据干法测量原理不应该对二极管本身产生任何物理影响,以保证得出准确的测量结果,也就是说二极管VF的变化是由于外部施加的环境温度发生变化导致TJ温度上升,材料本身的温度敏感性使得Vf下降。所以选择测量电流Im的值是非常重要的,这里我们设计了一个可变的恒流源电路,其电流的大小通过上位计算机的图形界面控制。在选择电流时,首先要对材料的正向Vf-If曲线进行测试,找到VF突变的临界点时的电流值作为Im是最合适的。

为了测量温度曲线,使用espace恒温箱来模拟温度升高的过程,并用9点测试法对恒温箱进行温度校准。因为恒温箱本身提供了modbus通信控制功能,在我们开发的上位机软件的控制下,以10度为间隔逐点升温,带温度稳定15分钟后,测量材料上VF电压,描绘出温度曲线。由于材料本身的特性呈非线性,所以测量出的数据要通过线性回归分析,拟合出函数曲线。MATLAB是由美国mathworks公司的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,代表了当今国际科学计算软件的先进水平,线性回归程序就是以Matlab的Acitve组件Matlab Automation Type Library为基础开发出来的。

matlab.Execute(x)

matlab.Execute(y)

matlab.Execute("c=polyfit(x,y,1)")

matlab.Execute("k=c(1),b=c(2)")

matlab.Execute("ybest=k*x+b")

matlab.Execute("plot(x,y,'*')")

matlab.Execute("hold on")

matlab.Execute("plot(x,ybest)")

程序中X数组保存的是每一温度点测量的温度值,Y数组为温度值。经过回归分析后得出原函数的斜率和截距,并绘制出测量曲线。经过这样的步骤我们就得出了K系数和测量曲线。

三、静态热阻测量系统和参数测量

系统主要由主控计算机、电压采集控制板、线性精密数字调节横流源、加热电流控制Mosfet驱动板和Modbus冰水机和上位机控制软件组成。主控计算机为台湾研华科技公司生产的ipc-610型工控机,该机具有很宽工作温度范围,能够在零下20度到零上80度的温度范围内正常工作,抗强干扰能力极强适合在电磁环境恶劣的条件下使用,由于热阻测量时可能会伴随高达数百安培的电流瞬时切断,其产生的电磁干扰经常使的普通计算机失去响应,所以选择它是非常适用的。

电压采样板的微控器才采用LPC1700系列ARM芯片LPC1766作为主控单元。LPC766是基于第二代ARM Cortex-M3内核的微控制器,是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32位微处理器,适用于仪器仪表、工业通讯、电机控制、灯光控制、报警系统等领域。其操作频率高达120MHz,采用3级流水线和哈佛结构,带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的低性能的第三条总线,使得代码执行速度高达1.25MIPS/MHz,并包含1个支持随机跳转的内部预取指单元。LPC1700系列ARM增加了一个专用的Flash存储器加速模块,使得在Flash中运行代码能够达到较理想的性能LPC1700系列ARM Cortex-M3的外设组件:最高配置包括512KB片内Flash程序存储器、96KB片内SRAM、4KB片内EEPROM、8通道GPDMA控制器、4个32位通用定时器、一个8通道12位ADC、1个10位DAC、1路电机控制PWM输出(MCPWM)、1个正交编码器接口、6路通用PWM输出、1个看门狗定时器以及一个独立供电的超低功耗RTC。LPC1700系列ARM Cortex-M3还集成了大量的通信接口:1个以太网MAC、1个USB 2.0全速接口、5个UART接口、2路CAN、3个SSP接口、1个SPI接口、3个I2C接口、2路I2S输入、输出。由于VF电压范围在几百毫伏的范围内,CPU内部的12bitADC分辨率不足,测量元件采用了德州仪器公司生产的ADS7891 14位高精度ADC芯片,可以提供1/16384分辨率,高速并行接口能够提供3Msps/s的采样速率,内部集成了2.5V基准源,最大功率损耗85mW。ADC将采集到的数据发送至主CPU后,通过由Altera公司的Cyclone系列FPGA设计的PCI协议转换桥接口最终将数据送至电脑的PCI接口。

加热电源选择了Agilent E3633a和6671A,E3633可以向负载提供200w的输出功率,6671a可输出0-8V 220A,非常适宜低压大电流应用。两款电源都是单输出双范围高性能直流电源,分别工作在恒压、恒流模式,具有非常高的精度。输出采用差分远程电压反馈技术,大幅度提升了输出负载调整率,在大输出电流情况下输出电压不会跌落。超低的纹波和噪声信号也使其成为了加热电源的首选,。同时还具有过压过流保护电路,操作状态自动记忆,远程GPIB通信等辅助功能。上位软件的控件可以直接与Visual studio系统连接,直接电压设定无需内部调整。

精密恒流源电路对测量结果起到了至关重要的作用。传统的PID电流方案由于需要足够的稳定时间,对突变信号不够敏感,在高速测量系统中是不适合的。在切断加热电流的瞬间,恒定电流就要建立,经历窗口时间Tmd之后的几个us内迅速到达设定值。

开关电路主要负责切断加热电流,由于加热电流较大所以压降所产生的功率损耗和散热片体积成为了必须要考虑的问题。选择低压大电流的Mosfet要比同样电流的IGBT饱和压降低很多,所以此处选择了Semicon公司的SEMITOP系列SK300MB075模块,其标称容量为75V290A满足了系统的需求。驱动电路选择了东芝公司的TLP250高速驱动光耦,其最大输出电流高达1A,非常适合驱动较大的功率模块。

热阻参数在测量时,对外部环境要求极为苛刻,JESD51-2标准中规定材料要安装在静止的空气环境中,使用体积为12立方英寸的容器将待测试材料密封起来,防止外界的空气流动对材料本身的热流产生影响,保证测量的温度敏感参数能够被正确测量。将测量温度的三个热电偶放入容器中,分别安装于外壳、引线,和能够测量环境温度的位置。与原件接触的热电偶一定要紧密贴合,并均匀涂抹导热硅胶使,热量能更好的传递至热偶减小测量误差。在测量结壳热阻Rthjc时,采用水冷板和冰水机组成的散热系统,将材料的散热背板压紧到水冷板上,并通过冰水机控制水冷板环境温度恒定为25度。

上位机软件控制流程首先给材料施加正向测试电流Im,电流的取值要和k系数测量时选取的数值相同。等待15分钟左右热平衡,测量系统自动记录下初始压降VF0,同时记录测试温度T0。然后发送运行命令至加热电源,对材料进行加热同时完成加热功率P的测量,电流大小依据Datasheet手册中给出的值来设定。加热数秒钟之后迅速通过mosfet开关,切断主加热电源,像电压采集板发出测量命令。电压采集卡立即开始记录此时的正向压降VF1和此时的温度值T1,以1us为间隔连续记录20ms的数据,上位机软件将采集到的数据显示到电压时间窗口。并依据设定好的窗口时间数据,从采样队列中剔除掉稳定前的数据。将正确的数值送至Matlab进行线性回归分析,并逆推出在关断时刻的压降值。

在VF0,VF1,T0,T1测量数据收集完毕后由计算公式:

?Tj=(VF1-VF0)/k

然后根据?Tj计算出元件的结温即TJ:

Tj=?Tj+T1

RthJc=(Tj-Tc)/P

由此获得了热阻测量中最为重要,而且无法直接观测的结温数据。最后依据标准公式分别计算出RThja、Rthjc、Rthjl三个参数,等待1-2数秒后,重新开始循环测量,经过多次循环测量后前后数据呈现一致且稳定后,便是最终结果。