一种热阻测量仪器校准系统的制作方法

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种热阻测量仪器校准系统。

背景技术：

热阻参数是表征半导体器件散热性能的重要参数，直接关系半导体器件的寿命及可靠性，随着半导体器件向着小型化、大功率、高集成方向发展，准确测试热阻参数的重要性不断提升。

目前，市面上的热阻测量仪器大多基于电学法测量原理，通过小电流k系数法测量半导体器件的结温，进而计算得到半导体器件的热阻。然而，该方法由于在测温过程存在工作电流与测试电流间的切换，致使半导体器件的结电压在电流切换瞬间出现尖峰，最终导致热阻测量仪器测量结果的准确度降低。虽然仪器厂商针对各自的热阻测量仪器也提出过一些修正方法，但这些修正方法一方面在部分半导体器件上的应用效果受限，另一方面由于不同厂商采用的修正方法不同，导致不同热阻测量仪器的测量结果一致性差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种热阻测量仪器校准系统，以解决现有技术中的热阻测量仪器测量结果准确度低、一致性差的问题。

本发明实施例提供了一种热阻测量仪器校准系统，包括：

校温装置、测温装置、上位机和热阻标准件；

校温装置用于控制热阻标准件处于预设温度下，向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，将第一结电压传输至上位机；

测温装置用于向热阻标准件输入预设工作电流，待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压，并将第二结电压传输至上位机；

上位机用于根据预设温度、第一结电压、第二结电压确定热阻标准件的标准热阻值，标准热阻值用于对热阻测量仪器进行校准。

可选的，预设测试电流为脉冲电流，预设工作电流为直流电流，预设测试电流的电流峰值与预设工作电流的电流值相同。

可选的，校温装置包括控温平台和脉冲源测单元；

控温平台用于控制热阻标准件处于预设温度下；

脉冲源测单元用于向热阻标准件输入预设测试电流，并测量热阻标准件的第一结电压，将第一结电压传输至上位机。

可选的，测温装置包括直流源和电压表；

直流源用于向热阻标准件输入预设工作电流；

电压表用于待热阻标准件的结温稳定后，测量热阻标准件的第二结电压，并将第二结电压传输至上位机。

可选的，根据预设温度、第一结电压、第二结电压确定热阻标准件的标准热阻值，包括：

根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件的校温曲线；

根据校温曲线和第二结电压确定热阻标准件的结温；

基于结温确定热阻标准件的标准热阻值。

可选的，基于结温确定热阻标准件的标准热阻值，包括：

式中，rθjx为标准热阻值，tj为结温，tx为热阻标准件的壳温，ph为导致热阻标准件结温升高所耗散的功率。

可选的，标准热阻值用于对热阻测量仪器进行校准，包括：

使用热阻测量仪器测量热阻标准件的热阻；

计算热阻与标准热阻值的差值，根据差值对热阻测量仪器进行校准。

可选的，热阻标准件包括半导体芯片、壳体、第一组管脚和第二组管脚；

半导体芯片位于壳体内部；

第一组管脚包括第一管脚和第二管脚，第一管脚穿过壳体与半导体芯片的阳极连接，第二管脚穿过壳体与半导体芯片的阴极连接；

第二组管脚包括第三管脚和第四管脚，第三管脚穿过壳体与半导体芯片的阳极连接，第四管脚穿过壳体与半导体芯片的阴极连接。

可选的，第一组管脚用于作为预设测试电流的输入端口，第二组管脚用于作为第一结电压的测量端口；

或者，第一组管脚用于作为预设工作电流的输入端口，第二组管脚用于作为第二结电压的测量端口。

可选的，半导体芯片为碳化硅材质的肖特基二极管芯片。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统，在向热阻标准件输入预设工作电流、待热阻标准件的结温稳定后，直接以预设工作电流作为测试电流测量热阻标准件的第二结电压，能够避免测量过程中由工作电流切换至测试电流时引起的结电压尖峰现象，进而准确测得热阻标准件的热阻值；利用已标定准确热阻值的热阻标准件对热阻测量仪器进行校准，能够解决现有技术中的热阻测量仪器测量结果准确度低、一致性差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的校温装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的测温装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的校温曲线示意图；

图5是本发明实施例提供的热阻标准件的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的半导体器件的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的热阻标准件的纵截面示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例提供了一种热阻测量仪器校准系统，如图1所示，该热阻测量仪器校准系统10包括：

热阻标准件11、校温装置12、测温装置13和上位机14。

校温装置12用于控制热阻标准件11处于预设温度下，向热阻标准件11输入预设测试电流，并测量热阻标准件11的第一结电压，将第一结电压传输至上位机14。

测温装置13用于向热阻标准件11输入预设工作电流，待热阻标准件11的结温稳定后，测量热阻标准件11的第二结电压，并将第二结电压传输至上位机14。

上位机14用于根据预设温度、第一结电压、第二结电压确定热阻标准件11的标准热阻值，标准热阻值用于对热阻测量仪器进行校准。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，预设测试电流为脉冲电流，预设工作电流为直流电流，预设测试电流的电流峰值与预设工作电流的电流值相同。

在本方案实施例中，将预设测试电流设置为脉冲电流，令脉冲电流的脉宽小于预设脉宽，在脉冲电流的脉宽足够窄的情况下，可以防止热阻标准件11产生自热影响第一结电压的测量精度。并且，通过将预设测试电流的电流峰值设置为与预设工作电流的电流值相同，可以保证标准热阻值计算结果的准确性。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，如图2所示，校温装置12可以包括控温平台121和脉冲源测单元122；

控温平台121用于控制热阻标准件11处于预设温度下；

脉冲源测单元122用于向热阻标准件11输入预设测试电流，并测量热阻标准件11的第一结电压，将第一结电压传输至上位机14。

在本发明实施例中，脉冲源测单元122可以是半导体测试仪，半导体测试仪能够向热阻标准件11输入窄脉宽的脉冲电流，并在脉冲期间同步测量热阻标准件11的第一结电压。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，如图3所示，测温装置13可以包括直流源131和电压表132；

直流源131用于向热阻标准件11输入预设工作电流；

电压表132用于待热阻标准件11的结温稳定后，测量热阻标准件11的第二结电压，并将第二结电压传输至上位机14。

传统的小电流k系数法在测量半导体器件的结电压时，由于测试电流的电流值远远小于工作电流，在利用工作电流对半导体器件进行加热后，切换为测试电流的瞬间，半导体器件的结电压会由于快速放电出现瞬间尖峰，导致结电压的测量结果不准确。

在本发明实施例中，在向热阻标准件11中输入预设工作电流进行加热，待热阻标准件11的结温稳定后，直接以预设工作电流作为测试电流，测量热阻标准件11的第二结电压，可以避免切换电流，提高结电压的测量精度。另外，需要指出的是，在向热阻标准件11输入预设工作电流并测量热阻标准件11的第二结电压的过程中，热阻标准件11可以处于控温装置121的预设温度下，也可以不处于控温装置121的预设温度下，热阻标准件11的环境温度不会对最终标准热阻值的计算结果造成影响。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，根据预设温度、第一结电压、第二结电压确定热阻标准件11的标准热阻值，包括：

根据预设温度和第一结电压确定热阻标准件11的校温曲线；

根据校温曲线和第二结电压确定热阻标准件11的结温；

基于结温确定热阻标准件11的标准热阻值。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，基于结温确定热阻标准件11的标准热阻值，包括：

式中，rθjx为标准热阻值，tj为结温，tx为热阻标准件的壳温，ph为导致热阻标准件结温升高所耗散的功率。

在本发明实施例中，以上计算过程均可以在上位机14中实现，具体的，通过改变预设温度进行多次试验，确定热阻标准件11的校温曲线，进一步，上位机14根据校温曲线和第二结电压确定热阻标准件11的结温，并基于结温确定热阻标准件11的标准热阻值。热阻标准件11的校温曲线如图4所示，图中，vtsp为热阻标准件11的结电压，tj为热阻标准件11的结温，由图2可以看出，热阻标准件11的结电压变化量δvtsp与热阻标准件11的结温δtj呈倍数关系，即δvtsp＝kδtj，k为校温系数。

另外，需要指出的是，壳温tx为热阻标准件11的结温稳定时的壳温，作为热阻标准件11的参考位置温度，在实际应用中，也可以选择热阻标准件11的其它位置作为参考位置，本发明对此不作设定。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，标准热阻值用于对热阻测量仪器进行校准，包括：

使用热阻测量仪器测量热阻标准件11的热阻；

计算热阻与标准热阻值的差值，根据差值对热阻测量仪器进行校准。

在本发明实施例中，在使用待校准的热阻测量仪器测量热阻标准件11的热阻之后，可以根据其热阻测量值与标准热阻值的差值对热阻测量仪器进行校准，也可以采用其它方式进行校准，本发明对此不作限定。如采用热阻测量值与标准热阻值的差值对热阻测量仪器进行校准，可以对热阻测量仪器进行调节，也可以将热阻测量仪器每次的测量结果加上该差值作为热阻准确值。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，如图5所示，热阻标准件11包括半导体芯片111、壳体112、第一组管脚和第二组管脚；

半导体芯片111位于壳体112内部；

第一组管脚包括第一管脚113和第二管脚114，第一管脚113穿过壳体112与半导体芯片111的阳极连接，第二管脚114穿过壳体112与半导体芯片111的阴极连接；

第二组管脚包括第三管脚115和第四管脚116，第三管脚115穿过壳体112与半导体芯片111的阳极连接，第二管脚116穿过壳体112与半导体芯片111的阴极连接。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，第一组管脚用于作为预设测试电流的输入端口，第二组管脚用于作为第一结电压的测量端口；

或者，第一组管脚用于作为预设工作电流的输入端口，第二组管脚用于作为第二结电压的测量端口。

通常情况下，从半导体器件外部的管脚测量得到的结电压除了包含二极管芯片的结电压外，还包含半导体器件内部的部分管脚电阻、引线电阻和接触电阻等产生的干扰电压，在测试电流很小的情况下，干扰电压可以忽略不计，但是在本发明实施例中，由于测试电流较大，干扰电压会对测量结果造成较大影响。如图6所示，将半导体器件60内部的部分管脚电阻、引线电阻和接触电阻等效为r62、r63，从半导体器件60外部的管脚62、63测量得到的结电压(vtsp)除了包含二极管芯片61的结电压之外，还包含r62、r63的电压。

为了消除干扰电压对测量结果的影响，本发明设计了具有两组管脚的热阻标准件11，其中一组管脚用于输入电流，另外一组管脚用于测试电压，通过将加电回路和测量回路进行分离，避免了热阻标准件11内部干扰电压对结电压测量结果造成的影响。

可选的，作为本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统的一个具体实施方式，半导体芯片111为碳化硅材质的肖特基二极管芯片。

在本发明实施例中，选用肖特基二极管芯片制作的热阻标准件11，电路结构简单，电学稳定好，并且由于肖特基结构的开关速度快，更适合脉冲电流的测量。而碳化硅属于宽禁带材料，能够提高热阻标准件11的耐热性及热稳定性。需要指出的是，在实际应用中，在不考虑肖特基二极管芯片以上优点的情况下，也可以使用mosfet、igbt或者其它pn结结构的器件芯片实现本发明的技术方案，本发明在此不作限定。

另外，由于每个热阻标准件11只能具有一个标准热阻值，为了覆盖热阻参数的校准范围，本发明实施例设计并制作了一系列具有不同标准热阻值的热阻标准件11。改变热阻标准件11的标准热阻值可以通过调节半导体芯片111的尺寸或改变壳体112的结构等方法来实现，本发明对此不作限定。

具体的，如图7所示，其为本申请实施例图5所示的热阻标准件11的截面图，热阻标准件11的壳体112可以由盖板、侧壁和底板(从下至上依次为基板层、绝缘层、导电层)构成，半导体芯片111焊接在底板的导电层上，并且半导体芯片111的负极与导电层接触，第一管脚113和第三管脚115连接至半导体芯片111的正极，第二管脚114连接至半导体芯片111的负极，第四管脚116可以连接至导电层，并通过导电层连接至半导体芯片111的负极。

由于半导体芯片11的边长对热阻的影响较为显著，因此可以通过调节半导体芯片111的尺寸来改变热阻标准件11的标准热阻值；由于壳体112的结构影响热阻标准件11的散热效果，因此可以通过对壳体112的导电层、绝缘层和基板层的材料及厚度进行调整来改变热阻标准件11的标准热阻值。

由以上内容可知，本发明实施例提供的热阻测量仪器校准系统，在向热阻标准件输入预设工作电流、待热阻标准件的结温稳定后，直接以预设工作电流作为测试电流测量热阻标准件的第二结电压，能够避免测量过程中由工作电流切换至测试电流时引起的结电压尖峰现象，进而准确测得热阻标准件的热阻值；利用已标定准确热阻值的热阻标准件对热阻测量仪器进行校准，能够解决现有技术中的热阻测量仪器测量结果准确度低、一致性差的问题。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。