基于电学法的封装器件中电容影响研究

王 雨，冯士维，史 冬，郑 翔

(北京工业大学 微电子学院，北京 100124)

半导体器件工作温升影响器件的电学特性和可靠性[1-2]。获得半导体器件工作温升数据对改进器件热设计并提高可靠性有密不可分的关联。在许多集成电路制造工艺中，电容和二极管并联在一起并封装在一个管壳内，电容无法拆卸，为获得该管壳中二极管的工作温升，一定要考虑电容的影响，因此研究封装器件中电容对二极管工作温升的影响至关重要。

在国际上测量二极管工作温升的方法中因器件温敏电学参数方法(电学法)的方便性快捷性与准确性而应用广泛[3-4]。利用电学法进行测量工作温升的主流仪器有美国Analysis Tech Phase11及匈牙利MicRed公司生产的Mentor Graphics T3Ster。这些设备价格昂贵，而且，这些仪器只针对半导体器件测量，不能够有效分析含有并联电容影响的二极管工作温升。因此，研究基于电学法测量工作温升中并联电容对二极管的影响具有实际意义。

本文基于电学法理论，有效分析了并联电容对二极管工作温升的影响。搭建二极管与电容并联的被测器件，通过改变电容容量与加热时间长短来获得测量不同情况下被测器件的瞬态温度响应曲线。通过分析不同情况下的瞬态温度响应曲线，消除电容对二极管工作温升的影响，提供有效获取封装器件中含有并联电容的二极管工作温升的方法。

1 电学法原理

电学法测量半导体器件工作温升原理如下：半导体器件工作温升定义为

ΔT=TJ-TX

(1)

其中，TJ是达到稳态时器件结温；TX是参考温度，TJ-TX是工作稳态时器件结到参考点的温度差，即结温升ΔT，也就是半导体器件的工作温升，单位为℃。

如果在器件施加功率后，持续测量半导体器件结的温度，即其瞬态温度，就可得到半导体器件的瞬态温升，式(1)则变为

ΔT(t)=TJ(t)-TX

(2)

电学法就是选取半导体器件的某一电学参数作为温敏参数，对于二极管，温敏参数是PN结正向导通电压降[5]，利用温敏参数与温度的线性关系，通过测量不同环境温度下温敏参数值，即温度校准曲线，由式(3)就可得到温度系数。半导体二极管温度系数为负数。

(3)

计算得到温度系数k之后，根据半导体器件加功率前后温敏参数的变化计算出器件的工作温升，由式(4)表示

(4)

采用开关式(也称为脉冲式)方法[6-8]测量，此方法可以将电学操作导致的自热效应影响降到最低。由于电学法加热状态与测量状态分离的特性，不可能一次性采集到器件的整个加热响应过程，采集整个冷却时间阶段的温敏参数值，即Vf，得到其冷却响应曲线[9-12]。测量完温度系数后，将器件放在恒温平台上，调节恒温平台温度至约25 ℃，等待被测器件温度恒定。先在被测器件两端施加1 mA的测试电流，采集1 s加功率前的Vf作为参考电压，然后在器件两端加1 A的工作电流至工作电压达到稳态(施加工作电流的时间即为加热时间)，然后切断功率(开关断开)，同时在器件两端施加1 mA的测试电流，并开始采集整个冷却过程中SiC[13]二极管两端电压[14]，在两次测量结果的电压差值即为ΔVf，通过式(4)就可以得到瞬态温度响应曲线[15-16]。

2 实验结果与分析

本文实验选用SiC二极管型号为G2S06004A-S。测量基本参数：温度系数-1.5 mV/℃；功率2.17 W,测试电流1 mA，工作电流1 A。

将上述的二极管器件与电容并联如图1所示，首次选用15 μF的电容，测量AB两点的瞬态温度响应曲线如图2中箭头指示15 μF的曲线所示，横坐标为冷却时间(即采集数据时间)，纵坐标为节温升。

图1 被测电路

图2 瞬态温度响应曲线

上图箭头指示0 μF的曲线为单独二极管的瞬态温度响应曲线(称为目标曲线)，即没有与电容并联时所测的温升为39.95 ℃，与电容并联后，因受电容影响所测的温升为32.43 ℃，总温升损失7.52 ℃即18.8%。因此在电容无法拆卸的情况下，分析封装器件中半导体器件电学特性与可靠性造成阻碍，研究如何使电容影响降低到最小具有重要意义。

图中箭头指示15 μF的曲线在冷却时间初始呈现水平直线，这是与测试仪硬件电路量程有关，并不影响实验现象分析。

2.1 电容容量对封装器件工作温升影响

依次改变电容容量进行测量，将所测的温度响应曲线绘制图3。

图3 二极管并联电容的瞬态温度响应曲线

当并联电容为0.01 μF、0.1 μF时，由于电容值小所以对器件测量影响较小，温升损失在5 ℃范围内。并联电容为1 μF、2.2 μF、15 μF时温升曲线有明显变化并呈现规律性，整体趋势为先上升后下降。实验有两点发现：第一，并联电容值越大，温升曲线与目标曲线刚开始相交的时间值越大(从左至右ABC点)，即损失的总温升越大；第二，当并联电容后的温升曲线与目标曲线开始相交后，所有数据趋于重合。

根据实验结果与电学法测温升的原理，合理推测，在采集数据开关断开时，电容瞬间放电加在二极管两端上，影响二极管本身在开关断开时的电压值。电容值越大，放电时间越长，损失温升越大。当电容放电结束时，二极管两端电压恢复正常。电容的影响体现在采集时间的前一部分，采集时间后半段无影响。根据电学法原理公式(4)，可由温度响应曲线得到电压差曲线，如图4所示。

图4 二极管并联电容的电压差曲线

由图4可知，在开关断开时，并联电容的二极管两端电压相比无电容时大。进行模拟仿真进行验证。

2.2 电路仿真与验证

用Multisim进行仿真，首先对单独的二极管1N4001进行仿真，如图5中左图所示，阶跃电流源1SEC作为信号发生源，初始电平为1 A，最终电平为1 mA，步进时间为1 s，示波器采集电压为V1；其次在相同条件下，选用15 μF电容与二极管并联，示波器采集电压为V2，电路图如图5右侧所示。

图5 二极管仿真电路与二极管并联电容仿真电路

示波器的仿真结果数据如表1所示，可以得知：在没有电容的情况下，二极管两端电压V1从高电平935.59 mV下降到低电平535.450 mV用时142.854 μ s，用时短，但当二极管与15 μF的电容并联时从高电平降低到低电平用时7.323 ms。电容对二极管在高低电流切换时(开关断开时)产生影响，因电压达到稳态的用时延长所以在同一时刻并联电容的二极管两端电压值比无电容时大。例如表中在1.000 142 854 s时V2电压为646.3 mV，高于V1。

表1 示波器仿真结果

由仿真结果可知在切换电流时，因有并联电容的存在，电容放电，使得在同一时刻器件两端电压值增大。

由电学法测量工作温升的基本原理可知二极管与电容并联后，所加的工作电流先给电容充电，进行温升测量时即由工作电流切换到测试电流时，电容进行放电，所放的电量淹没二极管在电流切换时的实际电压值，与电容并联时所测得的电压差值比单独二极管时大。因二极管的温度系数为负值，所以电压差越大结温越小，所测得最初温升值比没有电容时小。又因电容两端电压不能突变，所以在电容放电时器件两端电压值逐渐减小，电压差减小，温升值升高。温升值达到最高值时就是器件两端电流为测试电流的时刻，随后器件两端的结温下降，温升值下降。故所测得的瞬态温度相应曲线呈现先上升后下降的趋势，如图2中箭头指示15 μF的曲线所示。

2.3 加热时间对器件工作温升影响

在封装器件中电容无法拆卸，电容影响不可避免，因要获取的二极管工作温升是由于加热时间引起，故从改变加热时间长度考虑，提取二极管工作温升信息。

以15 μF的电容与二极管并联作为被测器件，进行下一步实验，当加热时间由原10 s分别减小到1 s、50 ms、10 ms、1 ms、100 μs、10 μs进行测试。

图6中图例0μF&10s表示没有并联电容的二极管加热时间10秒；15μF&10s表示二极管与15 μF电容并联作为被测器件，加热时间10 s。

图6 加热时间不同的电压差曲线

图中并联电容时，当加热时间短时对器件不产生温升或产生较少温升时，加热时间短的曲线比加热10 s的电压差值高。其中加热10 μs时，可视为电容还未充电完全，也没产生温升，所以测得在切换电流之后电压值基本无变化，电压差约0 V。

理想情况找到电容完全充满电，但对器件不产生明显温升的加热时间(临界时间)，例如加热时间为100 μs。用加热10 s的数据(有电容影响有温升影响)与该临界时间的数据(有电容影响无温升影响)做差值，进而把电容产生的影响减掉，提取器件单纯由于器件升温而产生的电压差值，如图7补偿电压差曲线所示。

图7 补偿电压差曲线

此补偿结果与0μF&10s的曲线接近，使电容影响减到最小。根据电学法原理公式(4)将补偿的电压差值计算为温升值并作图8，从图8可以看出补偿后的温升曲线与目标曲线大致相同，温升值相差1.10 ℃，温升值降低2.75%。存在误差的原因有两个，第一在临界时间内电容还没有充满电；第二临界时间内使使器件产生较少温升。

图8 补偿温升曲线

解决封装器件中受并联电容影响二极管工作温升损失的问题，需要改变加热时间长短，对封装器件测两次工作温升，将两次的测量结果进行算法补偿，成功提取二极管的工作温升。此方法需要提升测试仪硬件响应速度与添加测试仪软件算法补偿。

3 结束语

本文根据电学法测量工作温升的原理，利用Multisim进行电容放电仿真，研究封装器件中并联电容对二极管在工作温升上的影响。重点分析了在不同加热时间下二极管与电容并联的瞬态温升情况，找到使电容充电完全又不产生明显温升的加热时间。提出数据补偿的方法将电容的影响消除，获得单纯二极管瞬态工作温升，解决了因并联电容而使所测半导体器件温升损失的问题。补偿结果误差在1.10 ℃范围内，使因电容影响造成的温升损失减少85.35%。此研究方法对测量集成电路封装器件中半导体元器件工作温升有重要意义。再进一步探究中，可考虑临界时间的确定，对于批次量生产的此类封装器件，并联电容容量与临界时间是否存在一定的对应关系，方便工厂获取批次量生产的此类封装器件中二极管的工作温升。

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