新型自动化热电效应测试系统及方法与流程

本发明涉及半导体热电效应测试领域，特别涉及一种新型的集成多种信号发生模块和多种热电效应检测模块的测量半导体元器件热电效应的自动化系统及方法。

背景技术：

对于电子元器件来说，工作温度对元器件性能的影响非常大。电子元器件都具有一定的功率，工作状态下元器件的内部或者外部温度会随着热量的积累而变化，而温度的变化又会反过来影响元器件的工作状态即热电耦合现象。最直接的例子是对于双极性晶体管来说，热量的聚集使得双极性晶体管内部温度升高，伴随着内部温度升高电流也随之增大，而电流的增加反过来进一步增加了功率提高了内部温度，陷入恶性循环最终直接导致元器件性的烧毁。

为了研究温度对电子元器件造成的各种影响，保证电子元器件的可靠工作，热电效应研究成为了电子元器件可靠性领域内重要的研究方向。而热电效应研究的前提，是具备满足测试情景需求与测试条件的热电效应测试设备。

比如，对于极端温度下使用的电子元器件来说，需要在高温/极高温情况下测试它的热电效应，除了检测它的温度还需要改变测试时的环境温度；对于功率器件来说，除了用ac信号冲击元器件，还要以高电压幅度长脉冲间隔的冲击脉冲配合红外成像装置检测它的热量聚集和散失情况；对于先进制程的高精密电子元器件来说，ac信号和脉冲信号源产生的信号周期过长，需要脉冲宽度更小的脉冲发生装置；对于射频元器件来说，温度引发的电容指标漂移与热电容的测量需要引入足够精度的cv测试装置。

各种各样的需求导致了功能单一的热电效应测试设备不能有效地完成热电效应测试任务。需要一种能够产生多种信号且产生的脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲电压幅值灵活可调，并具备多种热电效应检测手段的半导体元器件热电效应测量系统及其相应的方法，来解决半导体热电效应测试所面临的问题。

技术实现要素：

本发明提出了一种新型自动化热电效应测试系统，其特点是集成多种信号发生模块和多种热电效应检测模块，能够进行适应多种元器件的热电效应测试。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种新型自动化热电效应测试系统，包括：

集成多种信号发生模块，包括传输线脉冲发生装置、长脉冲发生装置和ac信号发生装置；

集成多种热电效应检测模块，包括温度控制与监测装置、iv检测装置、cv检测装置、红外成像装置；

适应多种元器件热电效应的测试系统与自动化测试方法。

进一步，所述传输线脉冲发生装置包括电源，网络终端，若干充电传输线，若干开关装置，脉冲传播传输线和iv探头及示波器。

进一步，所述传输线脉冲发生装置产生脉冲脉冲宽度与脉冲间隔灵活可调脉冲信号和ac信号，其组成包括电源，网络终端，若干充电传输线，与充电传输线数量相同的若干开关装置a、分别与长脉冲发生装置和ac信号发生装置相连的开关装置b、开关装置c，脉冲传播传输线和iv探头及示波器；开关装置由微处理器控制其导通关断状态，或组成开关矩阵由微处理器控制其导通关断状态；iv探头及示波器用于校验脉冲传播传输线上的脉冲波形、脉冲宽度、脉冲间隔是否符合要求，与测试需求相一致；

传输线脉冲发生装置所产生脉冲间隔由开关装置a在微处理器的控制下决定；

传输线脉冲发生装置所产生脉冲宽度包括多组充电传输线，开关装置a，脉冲传播传输线，网络终端和电源；充电传输线具有相同的阻抗但是长度不同，能分别产生不同脉冲宽度的方形脉冲；网络终端用于抑制反射回来的负向脉冲，其阻抗值与充电传输线相匹配；在脉冲传播传输线中冲击脉冲由充电传输线向待测器件方向传播；

脉冲发生器产生微秒级以上的脉冲，脉冲宽度与脉冲间隔由脉冲发生器在微处理器控制下设置并生成相应脉冲信号；

脉冲发生器产生ac信号，ac信号的所有参数在微处理器控制下设置并生成相应ac信号。

进一步，

集成多种热电效应检测模块，包括温度控制与监测装置、iv检测装置、cv检测装置、红外成像装置；

温度控制与监测装置，包括分立或者集成的温度控制装置与温度检测装置；温度控制装置用于改变元器件的环境温度，温度检测装置用于检测元器件的环境温度，满足热电效应测试时控制与检测温度需求；

iv检测装置用于检测电流与电压，在精度上满足待测器件的实际需求；iv检测装置与温度控制与监测装置在微处理器的集中控制下可以检测待测器件的内部温度；

cv检测装置用于检测电容与电压，在精度上满足待测器件的实际需求；cv检测装置与温度控制与监测装置在微处理器的集中控制下检测待测器件的热电容；

红外成像装置用于通过探测待测器件的红外信息转化得到温度信息；红外成像装置用于得到待测器件整体的温度分布信息，满足研究待测器件动态热电效应的需求。

进一步，

自动化测试系统包括微处理器，所述多种信号发生模块，所述多种热电效应检测模块，开关装置a、开关装置b、开关装置c，和待测器件；

多种信号发生模块用于产生脉冲脉冲宽度与脉冲间隔灵活可调的脉冲信号和ac信号；传输线脉冲系统产生脉冲宽度低至纳秒甚至数十皮秒量级的脉冲信号，脉冲发生器与ac信号发生器产生微秒级别以上脉冲信号和ac信号来满足测试需求；

多种热电效应检测模块能检测热电效应测试过程中待测器件的包括温度、电流、电压、电容、动态温度分布的检测项目，并能控制待测器件的环境温度；

开关装置a、开关装置b、开关装置c在微处理器控制下用于自动化选择切换路径。

本发明还提供一种适应多种元器件热电效应的新型自动化热电效应测试方法，包括如下步骤：

由微处理器集中控制；根据设定好的程序和测试情景需求，微处理器控制开关装置a、开关装置b、开关装置c或则开关矩阵，选择合适脉冲宽度和脉冲间隔生成相对应的脉冲信号或者ac信号；

在微处理器控制下某个脉冲宽度、脉冲间隔、电压幅度一定的冲击脉冲向待测器件方向传播并冲击待测器件，产生的反射和入射波被iv探头及示波器检测到并传入微处理器进行分析计算与存储；

经过一个或者多个脉冲宽度、脉冲间隔、电压幅度一定的冲击脉冲冲击，在微处理器控制下温度控制与监测装置、iv检测装置、cv检测装置和红外成像装置检测得到待测器件的温度、电流、电容、热分布特征并传入微处理器；

根据温度控制与监测装置、iv检测装置、cv检测装置和红外成像装置反馈回来的数据，微处理器判断是否需要进行下一阶段的测试；如果需要，则微处理器通过开关装置切换导通路径，改变冲击脉冲的脉冲电压幅度或脉冲宽度或脉冲间隔，重复对待测器件进行测试，如果待测器件损坏则需要更换；如果不需要，则停止测试。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种新型自动化热电效应测试系统，其特点是集成多种信号发生模块和多种热电效应检测模块，能够进行适应多种元器件的热电效应测试。

在随后的实施例中将针对本发明的目的及优点作详细描述，所具备优势的实际效果可通过本说明书的描述和对本发明的实施得以了解。

附图说明

图1是本发明之主要组成部分实施例示意图；

图2是本发明之新型自动化热电效应测试系统实施整体示意例；

图3是本发明之测试实施例波形图；

图4是本发明之待测器件受冲击并检测热电参数之实施例一。

图5是本发明之待测器件受冲击并检测热电参数之实施例二。

图6是本发明之自动化测试实施例流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

发明提供的一种多种信号发生模块的集成系统和方法。传输线脉冲发生装置用以产生脉冲宽度在100ps到100ns之间的冲击脉冲，长脉冲发生装置用以产生脉冲宽度微秒级别以上的冲击脉冲，ac信号发生装置用以产生ac信号。

本发明亦提供一种集成多种热电效应检测模块的集成系统和方法，包括但不限于温度控制与监测装置、iv检测装置、cv检测装置、红外成像装置。温度控制与监测装置可以改变元器件的环境温度也可以检测元器件的环境温度，满足热电效应测试时控制与检测温度需求。iv检测装置检测待测器件的电流与电压，cv检测装置检测待测器件的热电容，而红外成像装置能够得到待测器件整体的温度分布信息以测量动态热电效应。

新型自动化热电效应测试系统，包括：

集成多种信号发生模块，包括但不限于传输线脉冲发生装置(由电源10，网络终端20，充电传输线30、31、32，开关装置51、52、53、54、55，脉冲传播传输线60和iv探头及示波器70组成)、长脉冲发生装置41和ac信号发生装置42。

集成多种热电效应检测模块，包括但不限于温度控制与监测装置91、iv检测装置92、cv检测装置93、红外成像装置94。

适应多种元器件热电效应的测试系统与自动化测试方法。

集成多种信号发生模块：

传输线脉冲发生装置产生脉冲脉冲宽度与脉冲间隔灵活可调脉冲信号和ac信号，组成部分包括但不限于电源10，网络终端20，充电传输线30、31、32，开关装置51、52、53、54、55，脉冲传播传输线60和iv探头及示波器70。开关装置51、52、53、54、55由微处理器80控制其导通关断状态，或组成开关矩阵50由微处理器80控制其导通关断状态。所有连接充电传输线30、31、32与脉冲传播传输线60的开关装置51、52、53必须有足够高的开关速度，寄生电感必须足够小或者采取了相应的一直措施。建议但不限于采用高速/超高速继电器、高性能空气开关和半导体功率开关等。iv探头及示波器70的作用在于校验脉冲传播传输线60上的脉冲波形、脉冲宽度、脉冲间隔是否符合要求，与测试需求相一致。

传输线脉冲发生装置所产生脉冲间隔由开关装置51、52、53在微处理器80的控制下决定。

传输线脉冲发生装置所产生脉冲宽度由多组充电传输线30、31、32，开关装置51、52、53，脉冲传播传输线60，网络终端20和电源10所组成。充电传输线31、32、33、34具有相同的阻抗但是长度不同，能分别产生不同脉冲宽度的方形脉冲。网络终端20的作用是抑制反射回来的负向脉冲，其阻抗值与30、31、32相匹配。在脉冲传播传输线60中冲击脉冲由充电传输线30、31、32向待测器件100方向传播。充电传输线的数量不限于3根，可根据需求自由配置。原则上每一根长度不同的传输线在终端匹配的条件下产生不同脉冲宽度的方波，而不同长度的传输线组合在一起可以得到更多脉冲宽度的方波。

脉冲发生器41产生微秒级以上的脉冲，脉冲宽度与脉冲间隔由脉冲发生器41在微处理器80控制下设置并生成相应脉冲信号。

脉冲发生器42产生ac信号，ac信号的所有参数在微处理器80控制下设置并生成相应ac信号。

集成多种热电效应检测模块：

集成多种热电效应检测模块，包括但不限于温度控制与监测装置91、iv检测装置92、cv检测装置93、红外成像装置94。

温度控制与监测装置91，包括分立或者集成的温度控制装置与温度检测装置。温度控制装置如热电偶等可以改变元器件的环境温度，温度检测装置如各种温度传感器可以检测元器件的环境温度，满足热电效应测试时控制与检测温度需求。

iv检测装置92的主要功能是检测电流与电压，在精度上需要满足待测器件100的实际需求。iv检测装置92与温度控制与监测装置91在微处理器的集中控制下可以检测待测器件100的内部温度如结温。

cv检测装置93的主要功能是检测电容与电压，在精度上需要满足待测器件100的实际需求。在一些高频器件或者功率器件热电效应中，其电容信息非常重要。cv检测装置93与温度控制与监测装置91在微处理器的集中控制下可以检测待测器件100的热电容。

红外成像装置94能够通过探测待测器件100的红外信息转化得到温度信息。红外成像装置94能够得到待测器件100整体的温度分布信息，满足研究待测器件100动态热电效应的需求。

适应多种元器件热电效应的测试系统：

自动化测试系统包括微处理器80，前述多种信号发生模块，前述多种热电效应检测模块，开关装置51、52、53、54、55和待测器件100。

多种信号发生模块能产生脉冲脉冲宽度与脉冲间隔灵活可调的脉冲信号和ac信号。传输线脉冲系统产生脉冲宽度低至纳秒甚至数十皮秒量级的脉冲信号，脉冲发生器41与ac信号发生器42产生微秒级别以上脉冲信号和ac信号来满足测试需求。

多种热电效应检测模块能检测热电效应测试过程中待测器件100的温度、电流、电压、电容、动态温度分布等检测项目，并能控制待测器件100的环境温度。

开关装置51、52、53、54、55在微处理器90控制下能够自动化选择切换路径。微处理器90指所有具备足够运算能力，能够处理数据、控制信号的计算设备，包括但不限于商用或个人微型计算机、小型化嵌入式设备等。

本发明亦提供一种适应多种元器件热电效应的测试系统与自动化测试方法。根据设定好的程序和测试情景需求，微处理器选择微控制器选择相应信号发生模块产生脉冲宽度和脉冲间隔符合要求的脉冲信号或者ac信号。经过一个或者多个脉冲宽度、脉冲间隔、电压幅度一定的冲击脉冲冲击，在微处理器控制下温度控制与监测装置、iv检测装置、cv检测装置和红外成像装置检测得到待测器件的温度、电流、电容、热分布特征并传入微处理器。由微处理器判断是否需要进行下一阶段的测试。如果需要，则微处理器切换导通路径，改变冲击脉冲的脉冲电压幅度或脉冲宽度或脉冲间隔，重复对待测器件进行测试(如果待测器件损坏则需要更换)；如果不需要，则停止测试

适应多种元器件热电效应的自动化测试方法：

本发明之系统自动化测试过程由微处理器80集中控制。根据设定好的程序和测试情景需求，微处理器90控制开关装置51、52、53、54、55或则开关矩阵50，选择合适脉冲宽度和脉冲间隔生成相对应的脉冲信号或者ac信号。

在微处理器90控制下某个脉冲宽度、脉冲间隔、电压幅度一定的冲击脉冲向待测器件100方向传播并冲击待测器件100，产生的反射和入射波被iv探头及示波器70检测到并传入微处理器90进行分析计算与存储。

经过一个或者多个脉冲宽度、脉冲间隔、电压幅度一定的冲击脉冲冲击，在微处理器90控制下温度控制与监测装置91、iv检测装置92、cv检测装置93和红外成像装置94检测得到待测器件100的温度、电流、电容、热分布特征并传入微处理器90。

根据温度控制与监测装置91、iv检测装置92、cv检测装置93和红外成像装置94反馈回来的数据，微处理器90判断是否需要进行下一阶段的测试。如果需要，则微处理器90通过开关装置切换导通路径，改变冲击脉冲的脉冲电压幅度或脉冲宽度或脉冲间隔，重复对待测器件100进行测试(如果待测器件100损坏则需要更换)；如果不需要，则停止测试。

在图1发明之主要组成部分实施例示意图和图2自动化热电效应测试系统实施整体示意例中，传输线脉冲发生装置(由电源10，网络终端20，充电传输线30、31、32，开关装置51、52、53、54、55，脉冲传播传输线60和iv探头及示波器70组成)、长脉冲发生装置41和ac信号发生装置42组成集成多种信号发生模块。

开关装置51、52、53采用超高速继电器，开关装置54、55采用普通继电器，各个继电器的阻抗值经过仔细调整，由微处理器80控制其导通关断状态。充电传输线30、31、32和脉冲传播传输线60均为特征阻抗50ω的传输线。充电传输线30、31、32的长度各不相等，经过调试它们分别能在脉冲传播传输线60上生成脉冲宽度100ps，1ns，100ns的冲击脉冲。iv探头及示波器70需要选用性能足够探测到脉冲传播传输线60脉冲的高性能示波器。长脉冲发生装置41和ac信号发生装置42可以是一个信号发生器也可以是分立的信号发生器，用以产生微秒以上的脉冲或者ac信号。

温度控制与监测装置91，以高精度温度探头和热电偶组成，能够进行温度控制与检测。iv检测装置92采用皮秒级精度的iv表用以检测电流与电压。cv检测装置93采用皮法精度的电容表用以检测电容。iv检测装置92和cv检测装置93可以是具备相应功能的同一装置。红外成像装置94利用红外探头得到待测器件100整体的红外分布图像，满足研究待测器件100动态热电效应的需求。

图3为本发明之测试实施例波形图，脉冲波形201、202、203为近似于方波的冲击脉冲，选择不同长度的充电传输线30、31、32及其组合，可以产生不同脉冲宽度的冲击脉冲tw。此实施例波形图中通过选择长度与校正充电传输线30产生100ns脉冲宽度的冲击脉冲，冲击脉冲间隔ti由微处理器90控制高速继电器51的开关频率所决定。本实施例中设定冲击脉冲间隔ti为1s,而冲激脉冲的电压幅度vp由电源80决定。

图4与图5是本发明之待测器件受冲击并检测热电参数之实施例。待测器件为mosfet301，具有漏、栅、源、衬底四个端口。图4中漏端接电源302，源端接地，栅端接脉冲输入端。图5中栅端接电源402，源端接地，漏端接脉冲输入端。衬底与地之间接入检测装置303、403如iv检测装置、cv检测装置。其他的检测装置304、404如温度检测装置、红外成像装置放置mosfet301周围。当栅端受到脉冲冲击时，mosfet301、401导通，热量积累，其内部温度(如结温)、环境温度、电容、电流、红外分布均发生变化。检测装置303、304、403、404检测到这些参数的变化并传输至微处理器作进一步分析、处理与储存。

图6为本发明之自动化测试实施例流程图。在初始条件下，根据设定好的程序和测试情景需求，微处理器选择微控制器选择相应信号发生模块产生脉冲宽度和脉冲间隔符合要求的脉冲信号或者ac信号。

导通超高速继电器51，断开继电器52、53、54、55，生成100ns冲击脉冲以1s的脉冲间隔反复冲击待测器件100。在微处理器90控制下温度控制与监测装置91、iv检测装置92、cv检测装置93和红外成像装置94检测得到待测器件100的温度、电流、电容、热分布特征并传入微处理器90。

根据测试需求由微处理器中设定的程序判断是否需要进行下一阶段的测试。如果需要改变冲击脉冲的脉冲电压幅度，则微处理器改变电源10提供的电压；如果需要改变脉冲宽度，则由微处理器切换导通路径；如果需要改变脉冲间隔，则由微处理器调整继电器的开关频率。在重复对待测器件进行测试之前，测试待测器件是否损坏，如果损坏则更换待测器件。之后重复热电效应测试，直到微处理器设定程序全部完成或者人为中断，则停止测试。

综上所述，本发明提出了一种新型自动化热电效应测试系统。所述新型自动化热电效应测试系统，其特点是集成多种信号发生模块和多种热电效应检测模块，多种信号发生模块利用传输线系统产生100ps到100ns范围内脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲电压幅度灵活可调的冲击脉冲，或者由信号发生器产生长脉冲或ac信号，满足多种元器件测试需求。多种热电效应检测模块具备多种热电效应检测手段，包括热电效应测试中温度、iv、cv、红外参数的检测。是一种具备自动化特点的半导体元器件热电效应测试系统。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。