功率晶体管结温测量与器件筛选条件拟定.doc

2012-07-19#张2奕0轩121, -2,07孔-学1东92#2#0#1#2#-#07-19#( 1. 广东工业大学材料与能源学院, 广东 广州 510090;2. 信息产业部电子第五研究所, 广东 广州 510610)摘 要: 概述了功率晶体管结温测量的意义及常用的双极晶体管模型。常用的结温测量方法有两种: 红外扫描法和热敏参数法。由于热敏参数法只能得到器件的平均结温, 不能用于准确地评价电子器件的可靠性, 因此, 红外扫描法优于热敏参数法。红外扫描法用于拟定器件筛选条件时必须满足 3 个必要条件, 这样既不会发生应 力不足, 又能避免过应力失效。关键词: 功率晶体管; 结温测量; 器件筛选; 红外热像仪中图分类号: tn323+.4文献标识码: a文章编号: 1672- 5468 ( 2007) 03- 0011- 04j unction- temper atur e measur ement and scr eeningcondition deter mination of power tr ansistorzhang yi- xuan1,kong xue- dong22,( 1. guangdong university of technology, guangzhou 510090, china;2. ceprei, guangzhou 510610, china)abstr act : the meaning of junction- temperature measurement for power transistor, and commonbjt models were summarized. there are two common methods for junction - temperature measure- ment: the infrared scanning method and the temperature - sensitive electrical parameter ( tsp) method. tsp can only obtain the average temperature, so it cant be used to accurately evaluate electronic devices reliability, and the infrared scanning method is better. three conditions mustbe satisfied when using the infrared scanning method in order to avoid applying insufficient stress or causing failure due to overstress.key wor ds: power transistor; junction- temperature measuremeat; device screen; infrascope1引言器件结温是影响功率管特别是微波功率管可靠命试验已经证实, 结温每降低 12 , 微波功率晶体管的平均寿命就延长一倍。在测试器件热阻的 过程中, 只有器件处于工作状态, 测得的结温才 是严格有效的。器件热阻不是一个恒量, 而是随性和电性能的主要因素之一。因此, 在器件设计和系统设计中, 准确测定结温就很重要。射频寿2012-07-19#2012-07-19#2#0#1#2#-#07-19#发射极条条宽x z集电极结 y热沉图 1 多发射极晶体管模型a结温b位 置图 2 双极晶体管理想结温假设与实际情况对比一 个 额 定 功 率 20 w 的 晶 体 管 的 显 微 红 外 热 图 ,在 3 种不同工作条件下, 每种都是耗散功率 16 w。( a) ic=0.8 a, vce=20 v;( b) ic=0.4 a, vce=40 v; ( c) ic=267 ma, vce=60 v。图 3 等功率条件下功率晶体管热像图对比) 功率=20 w1-w/r(阻 热集电极电流 ( i/a)图 4 等功率条件下热阻随集电极电流的变化典 型 的 多 发 射 极 晶 体 管 模 型 如 图 1 所 示所示。在相同功率的条件下, 随着集电极电流的增2 ,功率半导体器件可以看成是由许多个子器件并联而成的。加,热阻值趋向于降低,如图 4 所示。任何半导体功率器件3,都是由具有一定面积的半导体芯片以及相应的管壳封装而成的。功率主 要 耗 散 在 半 导 体 芯 片 上 的 pn 结 或 沟 道 ( 对 于 mos器件) 上, 由此会导致半导体芯片的温升, 而 这一温升通常被称为结温或沟道温度。由于芯片各 处的散热条件不等、功率密度不等, 所以结温或沟 道的分布也是不等的。因此, 在任何功率条件下, 根本不存在一个统一的结温。严格地讲, 结温是一 个温度场, 只能用矩阵 t 表示。文献 4, 5 也谈到大功率晶体管由于具有较 大的电极面积, 不可避免地存在管子结构和晶体材料的不均匀性, 正是这种不均匀性, 使得在平行于pn 结的平面方向产生温度梯度和电场梯度, 出现 电流不均匀和热流不均匀, 因而导致电流集中, 形 成显著的局部过热点或称热斑 ( hot spot) 。因此, 在应用热阻概念时有两点需要特别注意: 1) 在功率晶体管中, 结温不是空间均匀的;由于晶体管的峰值热阻不是一个稳定的常数,与偏置功率和电流密切相关, 并由于功率半导体器 件可以看成是由许多个子器件并联而成的, 只要其 中一个失效, 整个半导体器件也就失效。实际解剖 失效样品, 也充分证实了是峰值结温, 而不是平均 结温决定了器件的寿命, 也就是峰值结温决定了器 件的功耗。因此, 峰值结温的测量对于拟定高可靠 器件筛选应力就显得特别重要。2) 对所有的工作条件不能定义热阻为唯一的值6。所以晶体管有一个峰值热阻的概念。如图 2 所示,理想的状态是晶体管温度分布如 a 线所示的水平 线, 但实际上却如 b 线所示。2结温测量方法通常测量芯片温度有两种方法6:a)热 敏 电 参 数 法(tsp: temperature - sensi-tive electrical parameter)反映芯片上某种平均温度, 不能测定芯片上的温度分布。但是晶体管的失效往往是由于局部过热所 致, 存在热斑导致晶体管不能正常工作的问题。峰值结温工作寿命试验, 即对壳温额定的器件, 在规定的 25 环境温度下, 不附加散热条件, 对晶 体管施加一定的耗散功率 ptot 使结温达到 tjm 并连续工作。在此条件下, 由于功率晶体管的稳态总热b)红外扫描法它是用红外探测器来检测芯片的辐射能量密度分布, 由此可以确定芯片的表面温度分布, 用这种 方法可以较准确地测定芯片上的峰值温度及其位 置, 从而推算峰值热阻。阻 rth( j- a) 远远大于 rth ( j- c) , 导致试验所施加的功率远远小于壳温额定值 ptotmax。由晶体管原理可知, 在低电压小功耗下结温分布的晶体管, 在高 电压大功耗时结温分布可能变得极不均匀, 会出现 明显的热斑, 甚至会发生 “热奔”现象, 导致晶体 管失效。显然, 在此试验条件下通过的器件, 满功 率连续工作寿命试验未必能够通过。因此, 峰值结 温工作寿命试验方法的可信度低。因此, 功率晶体管稳态工作寿命试验的基本试文献4指出热敏电参数法测量的平均结温和显微热成像系统测量的峰值结温有很大的差别,这不仅是热阻的影响, 更主要的是电流集中、热电 反馈效应的影响。由于芯片内部电流的不均匀造成 温度分布的不均匀, 而温度梯度的存在将更促使电 流集中, 形成正反馈效应, 结果只有一小部分电极 面积得到真正的利用。由于热斑的存在使得热敏电 参数法不能测出峰值结温, 因此, 热敏电参数法不 可能准确地估计电子器件的可靠性, 从这一点来看 显微热成像技术有较大的优越性。用热成像技术也验条件是13 :1)2)3)壳温;4)施加一定的最大额定功率;结温达到最高允许结温;壳温不低于与施加的最大额定功率相应的可以求出整个芯片表面的平均温度,和无源区的局部温度。包括了有源区连续工作的时间周期为器件达到规定的累计失效概率 f ( t)所需的时间。文献 14 谈到受快筛技术的启发, 用红外热像法测量结温, 对晶体管在短时间内 ( 一般为数 秒) 施加超稳态功率, 使晶体管结温迅速接近或达 到最高的允许结温, 以拟定高可靠器件筛选应力, 这对星用高可靠器件的预筛是非常适用的手段。该 方法能准确地提供功率- 峰值结温的定量关系, 既 能防止应力不足, 又能避免过应力失效, 为正确拟 定筛选条件提供了可靠的依据。3器件筛选器件筛选对于剔除有隐患的器件,或剔除那些有制造缺陷的器件9, 10,反映晶体管在额定应力下工作时的实际可靠性特征, 对样管的可靠性进行评价具有重要的意义。 功率晶体管稳态工作寿命试验大都是在一定壳温和相应最大额定功率的条件下进行11,按 tj=ptotrth( j- c) +tc 计算, 只有当晶体管的结- 壳热阻4结束语综上所述, 我们认为, 对于高可靠功率晶体管rth( j- c) 为设计值时, 晶体管结温才能达到最高允许结温 tjm。而功率晶体管实际的 rth ( j- c) 一般都比设计值小, 显然, 在此条件下进行稳态工作寿 命试验, 晶体管的结温 tj 远远低于 tjm。试验过程的筛选应力拟定, 用红外扫描法优于热敏电参数法, 因为热敏电参数法只能得到器件的平均结温, 而红外扫描法得到的是器件的峰值结温, 峰值结温 又决定器件的寿命。不过, 结合红外扫描法来拟定 高可靠器件筛选条件的快筛技术, 必须使待测器件 满足几个条件:1) 施加一定的最大额定功率;中 tj 的降低,导致在规定的试验时间内达不到要求的 f ( t) , 这就降低了试验的可信度。从而使一些可靠性水平并不高的器件可能被当作高可靠性器 件, 给整机应用埋下隐患。文献 3 谈到从筛选的角度, 没有必要加额 定功率, 完全可以甩掉散热片、风冷和水冷, 减功率进行, 只要保证峰值结温一致就可以了。这就是2)结温达到最高允许结温;3) 壳温不低于与施加的最大额定功率相应的ductor products and solid state technol., 1965, ( 8) :21- 29. 8 garbarino p l. new method of monitoring junction tem- perature c /ieee trans. instrum. meas., 1971, im-20: 99- 104. 9 gjb 33a- 97, 半导体分立器件总规范 s . 10 gjb 128a- 97, 半导体分立器件试验方法 s .11 张德骏, 曹红, 贾颖, 等. 提高功率管稳态工作寿命试 验 可 信 度 的 技 术 措 施 j . 半 导 体 技 术 , 2001, 26 ( 5) : 57- 60.晶体管热阻 j . 半导体技术, 1998, 23 ( 2) : 43. 2 santosh p gaur, david h navon, robert w teerlinck. transistor design and thermal stability j . ieee transactions on electron devices, 1973, ed - 20:6.3 高 光 渤. 峰 值 结 温 筛 选 与 节 能 j . 节 能 技 术 , 1984, ( 2) : 5- 6.4 朱德忠, 顾毓沁. 显微热像测试功率晶体管热性能 j .激光与红外,1996, 26 ( 2) : 134- 138.5 赵保经. 大功率晶体管的设计与制造 m . 北京:出版社, 1978.科学12 mil- std- 750b- 1982,半导体器件试验方法 s .13 张德骏,苗庆海, 张兴华,等. 功率晶体管稳态工作寿6 frank f oettinger, senior member, david lblackburn, et al. thermal characterization of powertransistors c /ieee transactions on electron devices,1976, ed- 23: 8.命试验条件研究半导体技术, 1999, 24 ( 4) : 57- 60.14 崔恩禄, 牛晓青. 用红外微象拟定高可靠器件筛选条件j . 半导体技术 1992, ( 12) : 33- 35.信 息 与 动 态!常见的非法定计量单位与法定计量单位的换算关系 (九)量的名称法定计量单位非法定计量单位换算因数和备注名称符号名称符号力牛 顿n1 n=1 kgm/s21 lbf=4.448 222 n1 dyn=10- 5 n1 kgf=9.806 65 n1 tf=9.806 65 kn磅力达因千克力 吨力lbfdyn kgf tf重量力矩牛 顿 米nm英尺磅力千克力米ftlbfkgfm1 ftlbf=1.355 818 nm1 kgfm=9.806 65 nm压力压强帕 斯卡pa1 pa=1 n/m21 lbf/in2=6 894.757 pa磅力每平方英寸标准大气压 千克力每平 方米托lbf/in2atm1 atm=101.325 pakgf/m2torr1 kgf/m2=9.806 65 pa1 torr=1/760 atm=133.322 4 payour