专利名称：控制晶体管结温的稳态工作寿命试验方法
技术领域：
本发明属半导体器件技术领域。
晶体管稳态工作寿命试验是在规定的试验温度下给晶体管施加与该温度相应的最大额定功率并使之在规定的时间内连续工作的可靠性试验项目。目前，国际标准IEC747-7-1988和与其等同的我国国家标准GB/T4587-94以及美国军用标准MIL-STD-750B中规定的功率晶体管稳态工作寿命试验的试验条件都是最大额定功率和与其相应的壳温。按Tj=Ptot×Rth(j-c)+Tc计算，在此条件下，只有当晶体管的结-壳热阻Rth(j-c)为设计值时，晶体管的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，例如按SJ3128-88标准规定，3DD820型晶体管的Ptotmax=30W(Tc=75℃)，最高允许结温TJM=150℃，由此计算出其Rth(j-c)的设计值为2.5℃/W。但实际测量表明金属封装3DD820型晶体管的Rth(j-c)一般不大于1.0℃/W，而该标准规定的稳态工作寿命试验条件为Ptotmax=30W(Tcase=75±5℃)。显然，在此条件下进行稳态工作寿命试验，晶体管的结温Tj≤110℃，远远低于最高允许结温TJM。而功率晶体管进行稳态工作寿命试验的时间是按在施加最大额定功率Ptotmax并在最高允许结温TJM下连续工作，达到某一累积失效概率F(t)来计算的。试验过程中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可能并不高的器件被误认为高可靠性器件，给整机应用埋下可靠性隐患。为了克服上述问题，我国军用标准GJB128A-97《半导体分立器件试验方法》和GJB33A-97《半导体分立器件总规范》中将稳态工作寿命试验的试验条件改为最大额定功率和最高允许结温。但目前尚未见国内外有控制晶体管结温的稳态工作寿命试验方法之报道。
本发明的目的在于提高功率晶体管稳态工作寿命试验的可信度，提供一种在试验过程中能够测量晶体管结温并通过调控散热系统将结温维持在最高允许结温的控制晶体管结温的稳态工作寿命试验方法。
研究表明，发射结正向压降VBE与结温Tj在相当宽的温度范围内具有近似的线性关系，将不同电流下VBE～Tj的近似线性关系反向延长到绝对零度，发现它们汇聚于一点，汇聚点的电压约为1267mV。利用这种关系，只要在稳态工作寿命试验过程中，进行有规律的瞬间断开，即可利用这一瞬间断开时间(一般小于100微秒)通过在一定测试电流下测量VBE来计算出结温Tj。同时，利用半导体制冷器作散热器，将VBE的测量结果作为控制信号，利用自动控制装置，通过改变半导体制冷器的电流或电压来调整散热条件，可以方便地实现结温的自动控制。
本发明的试验电路原理图如图1所示。具体实施步骤为
第一步，开关S与IM接通，测量电流IM流入样管(T)，测出此时的发射结正向压降VBE0，相应的结温为Tj0(通常Tj0等于壳温和室温)。
第二步，根据恒定电流下VBE与Tj的近似线性关系及汇聚特性，由公式αVBE=VBE0-1267273+Ta]]>计算出该电流下发射结正向压降的温度系数αVEB,αVEB＜0。
第三步，在t=0时刻将开关S与IH接通，工作电流IH流入晶体管，在ton时间(一般在10～102秒)内，结温从Tj0上升到Tj1。
第四步，在t=ton时刻将开关S与IH断开并与IM接通，在toff时间(一般小于100微秒)内，经过一定的延迟时间后，测量出发射结正向压降VBE1，利用公式Tj1=VBE1-VBE0αVBE+Tj0]]>计算出结温Tj1。
第五步，将Tj1与标准中规定的结温Tj进行比较，并根据比较结果去调整散热条件。
第六步，反复重复步骤三至四，第n次测量出的结温为Tjn=VBEn-VBE0αVBE+Tj0]]>将Tjn与标准中规定的结温Tj进行比较，并根据比较结果去调整散热条件，从而使结温维持在规定的温度范围内。此时的壳温应不小于与该最大额定功率相应的参考壳温。
本发明实现了在晶体管稳态工作寿命试验过程中测量结温并通过调控散热系统将结温维持在最高允许结温的目的，对贯彻国家军用标准、提高和保证试验的可信度以及保证军用器件的可靠性，进而对提高国防电子工程的可靠性具有十分积极的意义，并对避免器件生产领域的浪费、降低生产成本具有积极的推动作用。同时，本发明之方法可以在试验过程中对器件的相关热电参数进行实时测量和比较，这是控制壳温的试验方法所无法做到的。这种实时测量和比较对于高可靠性器件的挑选具有积极的意义。例如，根据结温和壳温的测量结果可以计算出结壳热阻Rth(j-c)，将前后测量得到的Rth(j-c)进行比较，即可判断出器件的热稳定性。
以下为
图1是本发明的试验电路原理图。
图2是本发明的试验设备方框图。
图3是本发明中脉冲时序和结温曲线图。
其中，IH，工作电流源，IM，测试电流源，S，开关，IE，电流表，T，试验样管，VCC工作电压源；21，偏置电源，22，专用电源，23，试验样管，24，测量信号取样系统，25，主控计算机，26，控制系统，27，散热系统；31，IM注入脉冲，32，VBE取样延迟脉冲，33，VBE取样脉冲，34，IH注入脉冲，35，Tj的变化曲线。
下面结合附图和实施例对本发明作以下说明实施例本发明实施例之一的试验设备方框图如图2所示。其中，偏置电源给样管提供工作电压和工作电流，专用电源给样管提供测量电流，散热系统给样管提供散热条件，测量信号取样系统对表征样管结温的电参数进行取样并送入主控计算机，主控计算机进行信号处理并向控制系统发出指令，控制系统调控电源和散热系统的工作。试验的具体步骤如上述第一至第六步。试验过程中的测试电流脉冲IM，加热电流脉冲IH,VBE取样延迟脉冲、取样脉冲，结温Tj的变化如图3所示。由此可见，toff越小，结温变化越小；ton愈小，结温的控制精度愈高。试验中应视试验样管的具体情况确定toff和ton大小。
权利要求
1．一种控制晶体管结温的稳态工作寿命试验方法，其特征在于，根据晶体管发射结正向压降VEB与结温Tj的近似线性关系和汇聚特性，利用试验过程中工作电流有规律的瞬间断开时间间隔，通过在一定测试电流下测量发射结正向压降VBE来计算出试验样管的结温Tj；同时，利用半导体制冷器作散热器，将发射结正向压降VBE的测量结果作为控制信号，利用自动控制装置，通过改变半导体制冷器的电流或电压来调整散热条件，实现结温的自动控制；试验步骤如下(1) 开关S与IM接通，测量电流IM流入样管T，测出此时的发射结正向压降VBEO，相应的结温为Tj0，通常Tj0等于壳温和室温；(2) 根据恒定电流下发射结正向压降VBE与结温Ti的近似线性关系及汇聚特性，由公式αVBE=VBE0-1267273+Ta]]>计算出该电流下发射结正向压降的温度系数αVEB,αVEB＜0；(3) 在t=0时刻将开关S与IH接通，工作电流IH流入晶体管，在ton时间内，结温从Tj0上升到Tj1,ton一般在10～102秒；(4) 在t=ton时刻将开关S与IH断开并与IM接通，在toff时间内，经过一定的延迟时间后，测量出发射结正向压降VBEI，利用公式Tj1=VBE1-VBE0αVBE+Tj0]]>计算出结温Tj1,toff一般小于100微秒；(5) 将Tj1与标准中规定的结温Tj进行比较，并根据比较结果去调整散热条件；(6) 反复重复步骤三至四，第n次测量出的结温为Tjn=VBEn-VBE0αVBE+Tj0]]>将Tjn与标准中规定的结温Tj进行比较，并根据比较结果去调整散热条件，从而使结温维持在规定的温度范围内。此时的壳温应不小于与该最大额定功率相应的参考壳温。
全文摘要
控制晶体管结温的稳态工作寿命试验方法属半导体器件技术领域。根据晶体管发射结正向压降与结温的近似线性关系,利用试验过程中工作电流有规律的瞬间断开时间间隔,通过在一定测试电流下测量发射结正向压降来计算出试验样管的结温,利用半导体制冷器作散热器,将发射结正向压降的测量结果作为控制信号,通过改变半导体制冷器的电流或电压来调整散热条件,实现结温的自动控制。本发明对提高试验的可信度具有十分积极的意义。
文档编号H01L21/66GK1306303SQ0110782
公开日2001年8月1日 申请日期2001年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者张德骏, 苗庆海, 贾颖, 曹红, 张兴华 申请人:山东大学