概 述

　　半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)(從IC中數(shù)以百萬計(jì)的晶體管到實(shí)現(xiàn)高亮度LED的大面積復(fù)合結(jié)點(diǎn))可能由于不斷產(chǎn)生的熱而在早期發(fā)生故障。當(dāng)特征尺寸縮小且電流 要求提高時(shí)，這將成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，甚至正常操作也可能聚積熱量，使結(jié)點(diǎn)溫度升高。溫度上升可能增加結(jié)點(diǎn)內(nèi)的缺陷數(shù)量，從而導(dǎo)致器 件的性能下降、生命周期縮短。

　　采用四線測量方法或者Kelvin測量方法將SMU與器件相連接。通過感 應(yīng)DUT（device under test）周圍而不是SMU（源測量單元source measure unit）。輸入端的電壓，四線電壓測量能降低電壓測量中由引線電阻導(dǎo)致的誤差。本文主要從下面四個(gè)方面(溫度量測方法，結(jié)點(diǎn)溫度測試方法，應(yīng)用實(shí)例，誤差根源)對結(jié)點(diǎn)溫度量測的進(jìn)行探討。

　　溫度量測方法

　　需要一種準(zhǔn)確的溫度測量方法來測量半導(dǎo)體器件的溫度，以避免產(chǎn)生可能 導(dǎo)致故障的高溫。有一種方法很簡單，即測量結(jié)點(diǎn)溫度。它可以使用常用測試 和測量儀器，測量結(jié)果可被用來監(jiān)視特定器件的工作狀況。測量結(jié)點(diǎn)溫度的理 想方法是在盡可能離熱源近的地方監(jiān)視器件溫度。流過半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的電流產(chǎn)生 熱，這些熱量經(jīng)過結(jié)點(diǎn)材料流向外部世界。

　　另一種方法是將溫度傳感器放在非?？拷雽?dǎo)體結(jié)點(diǎn)的位置，并且測量傳感器的輸出信號。隨著熱量流向外部區(qū)域，外部區(qū)域和傳感器的溫度升高。盡管這是一個(gè)很直接的過程，但由于傳感器尺寸有限，所以該方法具有許多物理上的限制。在很多情況下，傳感器本身比要測量的結(jié)點(diǎn)的尺寸大，這就會給系統(tǒng)增加大量的熱，同時(shí)帶來額外的測量誤差，從而降低測量準(zhǔn)確度。因此，這種方法幾乎對大多數(shù)應(yīng)用都沒有用。

　　測試設(shè)備

圖1：在測試設(shè)置中，SMU被用來描述半導(dǎo)體的正向壓降與結(jié)點(diǎn)溫度的關(guān)系。

　　SMU（源測量單元－Source Measure Unit）

　　一種更好的解決方法是利用結(jié)點(diǎn)本身作為溫度傳感器。對大多數(shù)材料來說， 結(jié)點(diǎn)正向壓降和結(jié)點(diǎn)溫度之間都存在密切的相關(guān)性。什么時(shí)候結(jié)點(diǎn)正向壓降與結(jié)點(diǎn)溫度呈非線性關(guān)系取決于結(jié)點(diǎn)的材料和設(shè)計(jì)。在溫度高達(dá)80°C至100°C的正常工作環(huán)境中，假設(shè)大多數(shù)材料的結(jié)點(diǎn)正向壓降與結(jié)點(diǎn)溫度為線性是安全的。非線性特性可以通過實(shí)驗(yàn)方法來確定，即在更高的環(huán)境溫度下測量電壓，直到結(jié)點(diǎn)正向壓降與結(jié)點(diǎn)溫度為非線性。對于大多數(shù)器件而言，這種關(guān)系接近線性關(guān)系，可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)如下： TJ=(m×VF)+T0 (1)

　　其中，TJ=結(jié)點(diǎn)溫度(單位：°C)； m=斜率 {與器件相關(guān)的參數(shù)(與芯片襯底材料、芯片結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)、發(fā)光波長 等都有關(guān)系 ) ，單位：°C/V }； VF=正向壓降； T0=截距(與器件相關(guān)的參數(shù)，單位：°C)。 在給定溫度下(TJ)下，半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的正向壓降(VF)是一定的。如果我們 在兩種不同的溫度下測量VF，則可以計(jì)算出某個(gè)結(jié)點(diǎn)的斜率(m)以及截距 (T0)。由于這是一種線性關(guān)系，所以我們只需測量VF，就可以利用式(1)計(jì) 算不同狀態(tài)下的結(jié)點(diǎn)溫度。 TJ=(m×VF)+T0 (1)

　　如果知道不同工作狀態(tài)和封裝的器件的TJ，我們就能夠計(jì)算出不同封 裝類型和設(shè)計(jì)的熱參數(shù)，比如熱阻。這在設(shè)計(jì)特定工作條件以確保器件使 用壽命最長時(shí)顯得尤為重要，因?yàn)闊嵝?yīng)是早期器件故障的主要原因。