一种功率MOS器件温升和热阻构成测试装置和方法与流程

该技术属于功率MOS器件可靠性设计和测试领域。该发明主要应用于快速、非破坏性确定功率MOS器件热阻构成的装置和方法。

背景技术：

随着功率MOS器件朝着高压、大电流的方向发展，其在工作时产生的热量很高，导致器件有源区温度升高，将加速功率MOS器件的性能恶化。功率MOS器件温升的影响因素也与有源区到周围环境散热的路径中，各环节材料散热特性相关，包括半导体材料的芯片、焊料、封装管壳和热沉等。因此，准确测量出功率MOS器件工作时的温升可以分析器件的封装散热特性，也可以用来评估功率MOS器件的工作状态。

现有技术中，功率MOS器件的温升和热阻的测试方法多采用电学法，相关标准有美军标MIL-STD-750E 3101.4，国军标128A-97.3103等。相关仪器有Phase11热阻测试仪和T3Ster热阻测试仪，但两款仪器价格高昂，测量技术操作复杂，测量周期长。

技术实现要素：

本发明的主要发明点在于:设计了被测功率MOS器件漏-源电压和栅-源电压信号控制的快速切换开关；漏-源大电流工作的快速切换开关；采用FPGA设计了漏-源电压、栅-源电压和漏-源电流的采集和设定功能。在进行电学法测量功率MOS器件的温升和热阻构成时，利用采集功率MOS器件源-漏寄生二极管的瞬态温升过程曲线技术，可以便捷、无损地获取功率MOS器件热阻构成信息。测量操作优化，测量周期较国外同类型仪器有很大减小。

基于这些发明点，本装置能够实现被测功率MOS器件漏-源电压和栅-源电压信号控制的切换开关的切换间隔小于5μs，处于同类仪器的先进水平，电压采样精度为16-bit，采集瞬态温升的采样频率为1MHz。

功率MOS器件温升和热阻构成测试仪装置的特征在于：

该装置包括：计算机100，可测量功率MOS器件芯片温升和热阻的测试仪200，被测功率MOS器件漏-源工作电源301，被测功率MOS器件302，恒温平台303；

测试仪200包含FPGA单元201，被测功率MOS器件测试电流源202，栅-源工作电压源203，栅-源工作电源开关204，时序脉冲信号205，漏-源工作电源开关206，被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207，工作电压电流采样电阻208。

被测功率MOS器件302放置在可调温的恒温平台303上；计算机100是控制中心，实现信号指令的发送，数据的传输和保存；计算机100通过时序信号控制FPGA单元201，分别接入测试电流源202，栅-源工作电压源203，源工作电源开关204，漏-源工作电源开关206；FPGA单元产生的时序脉冲信号205连接在栅-源工作电源开关204的一端,栅-源工作电源开关204的另一端连接在被测功率MOS器件302的栅极；器件工作电压电流采集单元207则连接在工作电压电流采样电阻208的两端，并通过USB连接到计算机100；被测功率MOS器件漏-源工作电源301则连接在漏-源工作电源开关206的一端；漏-源工作电源开关206和测试电流源202的另一端则连接在工作电压电流采样电阻208的一端，工作电压电流采样电阻208的另一端连接在被测功率MOS器件302的漏极。

使用上述连接的设置，测量被测功率MOS器件302温度系数的方法：

1)将被测功率MOS器件302接触放置在可调温度的恒温平台303上；连接好被测功率MOS器件302上的源、漏导线；设置恒温平台的温度为T1；

2)通过计算机100设置被测功率MOS器件测试电流源202的测试电流值，该值小于所加载功率的漏-源工作电流的1％，以保证产生的升温可以忽略。计算机100通过被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207采集该测试电流下的被测功率MOS器件302的漏-源电压。

3)将恒温平台升高温度到T2，重复步骤2，得到相同测试电流下的漏-源电压。多次改变恒温平台温度，重复步骤2的测量；然后利用最小二乘法计算出温度系数α。

使用上述连接的装置，测量被测器件温升和热阻的方法

I、将被测器件302接触放置在可调温度的恒温平台303上；连接好被测器件302栅、源、漏导线；设恒温平台温度为T0；

II、启动测量程序，设置计算机发出指令给测试电流源，输出与测量温度系数时相同的测试电流(保持一致性)，一直加载在被测功率MOS器件漏-源两端。通过被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207，采集此时未施加工作电流下的被测功率MOS器件漏-源电压V₀；

III、通过计算机100设定加载工作电压V_DS，工作电流I_DS，测试电流I_test，施加功率时间t_H，冷却采集时间t_C；

IV、执行测量程序，通过FPGA单元201产生相应的控制指令给测试电流源202、栅-源工作电压源203、栅-源工作电源开关204、漏-源工作电源开关206。使得被测功率MOS器件处于设定工作电流下的工作状态，待其工作施加功率时间t_H后，FPGA单元201产生相应的控制指令断开栅-源工作电压源203、栅-源工作电源开关204、漏-源工作电源开关206，同时受计算机控制的被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207采集被测功率MOS器件漏-源电压V(t)，采集时间即为冷却采集时间t_C；

V、利用测得的被测功率MOS器件温度系数α，被测功率MOS器件的温度随时间的变化△T(t)＝[V(t)-V₀]/α，被测功率MOS器件302工作时加载的功率P＝V_DS*I_DS，则温升除以功率就是热阻，R_th(t)＝△T(t)/(V_DS*I_DS)。测试仪对ΔT(t)曲线进行计算，得出被测功率MOS器件302的热阻也就是被测功率MOS器件的热阻构成。

附图说明

图1为本发明所涉及测试装置的示意图

图中序号对应的名称如下：

计算机100 栅-源工作电源开关204 漏-源工作电源301

测试仪200 时序脉冲信号205 被测功率MOS器件302

FPGA单元201 漏-源工作电源开关206 恒温平台303

测试电流源202 电压电流采集单元207

栅-源工作电压源203 工作电压电流采样电阻208

图2温升与加热时间的过程曲线图。

图3具体实施方式中被测功率MOS器件热阻构成示意图。

具体实施方式

首先将被测功率MOS器件302放置在可调温度的恒温平台303上。连接好功率MOS器件302的栅、源、漏导线，计算机100是控制中心，实现信号指令的发送，数据的传输和保存。计算机100通过USB连接FPGA单元201，通过时序信号控制FPGA单元201，分别接入测试电流源202，栅-源工作电压源203，栅-源工作电源开关204，漏-源工作电源开关206，计算机100通过USB与电压电流采集单元207连接。

测量时，控制计算机100发出指令，测试电流源202产生与测量被测功率MOS器件的温度系数相同的测试电流，接入被测功率MOS器件的漏-源两端，被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207采集被测功率MOS器件在未加载工作电流下的源-漏寄生二极管的结电压V₀。然后，计算机100产生指令，通过FPGA单元使得栅-源工作电压源203产生设置的栅-源电压，FPGA单元输出时序脉冲信号205接入栅-源工作电源开关204，使得栅-源工作电压源203产生的栅-源电压施加在被测功率MOS器件栅-源两端。FPGA单元同时控制漏-源工作电源开关206，使得漏-源工作电源301的电压施加在被测功率MOS器件的漏-源两端。则此时被测功率MOS器件处于工作状态，被测功率MOS器件工作电压电流采集单元207采集此时被测功率MOS器件的工作电压V和工作电流I，得到功率P＝V_DS*I_DS。

当被测功率MOS器件工作状态达到稳态后，计算机100发出指令，同时断开栅-源工作电源开关204和漏-源工作电源开关206，同时电压电流采集单元207采集被测功率MOS器件在小测试电流下，结电压随时间的降温曲线，直到V(t)不再变化。则此时[V(t)-V0]/α就是被测功率MOS器件温度随时间变化过程曲线。再除以功率P，可得到被测功率MOS器件的热阻，即热阻R_th＝(V(t)-V0)/αP，对其曲线实施热阻测试仪中的结构函数处理功能，即得到从被测功率MOS器件的热阻构成曲线。