專利名稱：控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，屬于半導體器件可靠性試驗的性術領域。
二.
背景技術：
穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗是考核功率晶體管可靠性的行之有效的方法，現(xiàn)行國際標準IEC747-7-1988和與之等同的我國國家標準GB/T4587-94以及美國軍用標準MIL-STD-750D均將該試驗規(guī)定為必須試驗項目。
穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗條件要素包括①晶體管的電應力。例如，IEC747-7、GB/T4587以及美軍標MIL-STD-750規(guī)定的功率晶體管穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗的電應力均為與規(guī)定殼溫Tc相應的最大額定功率Ptotmax。
②晶體管的結溫Tj。通常在最高允許結溫Tjmax附近。例如，我國軍用標準GJB128A-97《半導體分立器件試驗方法》方法1039中的試驗條件B對底座或散熱器安裝的雙極型晶體管，結溫規(guī)定為 ③晶體管穩(wěn)態(tài)持續(xù)工作時間。例如，GJB33A-97《半導體分立器件總規(guī)范》對質量一致性檢驗C6分組穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗條件規(guī)定為穩(wěn)態(tài)持續(xù)工作時間“在最高結溫下至少1000小時”。
現(xiàn)行的功率晶體管穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備都是按恒定殼溫設計的，試驗中無法測量結溫。若想獲取晶體管的結溫，則需要根據(jù)公式(1)進行計算。
Tj＝Ptotmax×Rth(j-c)+Tc(1)式中Tj為晶體管的結溫，Tc為晶體管的殼溫，Ptotmax為與規(guī)定殼溫Tc相應的晶體管穩(wěn)態(tài)工作最大額定功率，Rth(j-c)為晶體管的結-殼熱阻(設計值)。
可以看出，只有當晶體管的結-殼熱阻Rth(j-c)為設計值時，晶體管的結溫才可能達到最高允許結溫Timax。而功率晶體管的結-殼熱阻Rth(j-c)實際值一般都小于設計值。例如以B2-01型式封裝的3DD63型晶體管，其最大額定功率Ptotmax＝50瓦(Tc＝75℃)，當結-殼熱阻Rth(j-c)設計值為2攝氏度每瓦(℃/W)時，結溫Tj才可能達到最高允許結溫Tjmax＝175℃。但是測量表明以B2-01型式封裝的3DD63型晶體管的結-殼熱阻Rth(j-c)一般不大于1.3攝氏度每瓦(℃/W)，其實際結溫Tj≤140℃，低于標準要求的結溫 以致在規(guī)定試驗時間內(nèi)達不到剔除缺陷產(chǎn)品的目的，從而降低了試驗的可信度。
現(xiàn)有的大功率晶體管老化設備存在一些不足例如大多采用水冷散熱的方式控制殼溫；試驗過程中由操作人員定時測量殼溫并通過人工調(diào)整散熱條件的方式來控制殼溫。而且由于受試樣管之間存在熱關聯(lián)，無法保證受試樣管的殼溫穩(wěn)定在規(guī)定值范圍內(nèi)，一旦晶體管殼溫失控，超過規(guī)定的溫度，將可能導致器件失效。此外試驗過程中樣管的電參數(shù)的變化，特別是高溫下的電參數(shù)的變化情況，對評價樣管的可靠性具有重要的意義。但是現(xiàn)行方法和設備在試驗過程中不對受試樣管的電參數(shù)和熱敏電參數(shù)進行監(jiān)控，除非樣管發(fā)生短路、開路等極端情況才終止試驗，否則試驗定時結尾才對樣管進行電參數(shù)測試，這也可導致試驗的可信度降低。
顯然，要符合標準規(guī)定的試驗應力要求，則需要在穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗過程中實施結溫Tj的監(jiān)測和控制。在標準規(guī)定應力下取得的試驗數(shù)據(jù)，才能反映晶體管在額定應力下工作時的實際可靠性特征。在穩(wěn)態(tài)工作條件下實現(xiàn)對受試晶體管結溫測量和控制，可以提高試驗的可信度。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗過程中，能夠實時測量和控制受試樣管結溫的試驗設備，提高功率晶體管穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗的可信度。
本發(fā)明一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，它是由控制系統(tǒng)(包括主控計算機系統(tǒng)和結溫測控系統(tǒng))、電源系統(tǒng)及試驗工作臺組成。
該控制系統(tǒng)是由主控計算機系統(tǒng)和結溫測控系統(tǒng)組成。該主控計算機系統(tǒng)包括有主控計算機及數(shù)據(jù)采集卡和I/O控制卡，數(shù)據(jù)采集卡和I/O控制卡位于主控計算機內(nèi)部，它們一起構成了主控計算機系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡與各個受試樣管的基極和發(fā)射極相連，用于實時采集受試樣管的正向壓降VBE；I/O控制卡和穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源相連，用于控制受試樣管工作電流IH的通斷狀態(tài)。主控計算機接收和處理來自數(shù)據(jù)采集卡的信息、控制受試樣管工作電流IH的通斷狀態(tài)和時間，實現(xiàn)對發(fā)射結正向壓降VBE的測量。結溫測控系統(tǒng)的功能是控制各個制冷風扇開關狀態(tài)和時間，實現(xiàn)對受試樣管結溫的控制。結溫測量及控制系統(tǒng)通過鉑電阻監(jiān)控受試樣管的殼溫，鉑電阻粘貼在受試樣管的管殼上，可將測得的溫度反饋給結溫測量及控制系統(tǒng)，同時結溫測量及控制系統(tǒng)與制冷風扇連接，控制制冷風扇的開關狀態(tài)。結溫測控系統(tǒng)的工作原理是功率晶體管在穩(wěn)態(tài)工作期間結-殼溫差(ΔTj-c)近似為確定值，可以通過對殼溫Tc的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對結溫Tj的控制。試驗過程中，結溫測控系統(tǒng)通過受試樣管管殼上的鉑電阻來監(jiān)測其殼溫，當某個受試樣管的殼溫超出標準規(guī)定值時，結溫測控系統(tǒng)自動接通其制冷風扇，當殼溫降到規(guī)定值時，制冷風扇停止工作，從而使每個受試樣管的結溫受控。
該電源系統(tǒng)是由兩組直流穩(wěn)壓電源組成，第一組測量電源32提供測量電流IM，為結溫測控系統(tǒng)供電；第二組穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源31為受試樣管41提供穩(wěn)態(tài)工作電功率。測量受試樣管正向壓降VBE的測量電流IM較小，一般為1mA～50mA，為了減小測量電流IM對結溫Tj的影響，測量電流IM通?？蛇x1mA～10mA。而試驗過程中受試樣管穩(wěn)態(tài)工作電流較大，一般為0.1A～10A，主要由穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源提供。由于測量電流IM與工作電流IH量級不同，為了便于測量電流IM和工作電流IH的設定及工作電流IH的通斷控制，穩(wěn)態(tài)工作試驗中兩組獨立電源分別將工作電流IH和測量電流IM施加于受試樣管，測量電流IM始終存在；而在測量正向壓降VBE時，主控計算機控制工作電流IH斷開，待完成正向壓降VBE數(shù)據(jù)采集后，再由主控計算機控制工作電流IH接通，使受試樣管回到穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。
其中，該數(shù)據(jù)采集卡選用1713卡。
其中，該I/O控制卡選用1734卡。
本發(fā)明一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，具有如下的優(yōu)點和功效(1).實現(xiàn)了結溫的測量與控制控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備與現(xiàn)有的大功率晶體管老化設備最大的區(qū)別是實現(xiàn)了試驗過程中晶體管結溫的測量與控制，使晶體管結溫在整個試驗周期內(nèi)都符合標準規(guī)定值。
(2)各個工位熱隔離，電熱應力條件一致控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，各工位采用獨立散熱器加獨立風扇的風冷散熱方式，配合結溫測控系統(tǒng)實時檢測殼溫并控制各工位制冷風扇開關狀態(tài)和時間，實現(xiàn)對受試樣管結溫的控制。這種方式的優(yōu)點是各工位相對獨立，可單獨進行檢測和控制，從而達到各工位電熱應力條件一致性的要求。而現(xiàn)有大功率晶體管老化設備多采用水冷散熱控溫方式。這種散熱方式的弊端是循環(huán)水對每個工位的制冷效率不均衡。冷卻水流經(jīng)各工位時，水溫不斷升高，對每個工位受試樣管熱交換效率不平等---冷卻系統(tǒng)的入口處溫度低于出口處，導致受試樣管的個體差異，難以保證各受試樣管的一致性。
(3)各工位受試樣管熱貢獻可甄別控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備的試驗工作臺的基板為低熱傳導率材料，而現(xiàn)有的大功率晶體管老化設備試驗工作臺多采用金屬材料制成，同時由于各受試樣管的管殼緊密貼合在實驗工作臺上，導致各工位受試樣管“共熱”產(chǎn)生相互影響?？刂凭w管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備克服了現(xiàn)有的大功率晶體管老化設備各工位受試樣管熱貢獻不可甄別的缺點，有利于暴露和剔除缺陷產(chǎn)品。
(4)采用模塊化設計，便于擴展控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備采用模塊化設計，將主控計算機系統(tǒng)、結溫測控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及試驗工作臺各部分彼此分離，這種設計的優(yōu)點是便于擴展、易于維護；而現(xiàn)有的大功率晶體管老化設備一般由電源系統(tǒng)、老煉工作臺系統(tǒng)和水冷卻系統(tǒng)三部分組成，體積比較龐大，且不具備擴展性(一般設計為48工位)。而控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備拓寬了設備適用范圍-可同時兼顧元器件鑒定試驗和產(chǎn)品出廠篩選試驗的需要。
四.


圖1是本發(fā)明的設備原理框圖。
圖2是本發(fā)明的各部分結構組成圖。
圖3-1為試驗工作臺主視圖。
圖3-2為試驗工作臺俯視圖。
圖中標號及符號說明如下1.主控計算機系統(tǒng)；11.主控計算機；12.I/O控制卡(即1734卡)；13.數(shù)據(jù)采集卡(即1713卡)；2.結溫測控系統(tǒng)；21.結溫測量及控制系統(tǒng)；22.散熱系統(tǒng)；3.電源系統(tǒng)；31.穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源；32.測量電源；
4.試驗工作臺；41.受試樣管；42.散熱片；43.制冷風扇；44.基板；51.電位器；52.200V數(shù)字電壓表；53.2V數(shù)字電壓表；54.12位選擇開關；Tc--晶體管殼溫；Tj--晶體管結溫；Tjmax--晶體管最高允許結溫；Ptotmax--晶體管最大額定功率；Rth(j-c)--晶體管的結-殼熱阻；ΔTJ-C--結-殼溫差；VBE--晶體管發(fā)射結正向壓降；IM--測量電流；IH--工作電流。
五.
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，它是由控制系統(tǒng)(包括主控計算機系統(tǒng)1和結溫測控系統(tǒng)2)、電源系統(tǒng)3及試驗工作臺4組成。該控制系統(tǒng)是由主控計算機系統(tǒng)1和結溫測控系統(tǒng)2組成。
該主控計算機系統(tǒng)1包括有主控計算機11及數(shù)據(jù)采集卡(即1713卡)13和I/O控制卡(即1734卡)12。數(shù)據(jù)采集卡13與各個受試樣管41的基極和發(fā)射極相連，數(shù)據(jù)采集卡13用于實時采集受試樣管41基極和發(fā)射極兩極之間的正向壓降VBE并輸入主控計算機11進行處理與紀錄。I/O控制卡12和穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源31相連，用于控制受試樣管41工作電流IH的通斷狀態(tài)。
結溫測量及控制系統(tǒng)21采用TE系列溫控儀，通過附著在受試樣管41上的鉑電阻，監(jiān)控受試樣管41的殼溫Tc，一旦超過標準限定的范圍，即接通該工位制冷風扇43進行制冷，待殼溫回落至規(guī)定值以下后停止制冷，繼續(xù)監(jiān)控。
該電源系統(tǒng)3由測量電源32和穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源31組成。測量電源32用于提供測量受試樣管41正向壓降VBE的測量電流IM，為結溫測控系統(tǒng)供電，其大小一般為1mA～50mA；該穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源31用于提供受試樣管41工作過程中所需工作電流IH，其大小一般為0.1A～10A。
整臺試驗設備請參閱圖2所示該數(shù)據(jù)采集卡13和I/O控制卡12位于主控計算機11內(nèi)部，它們一起構成了主控計算機系統(tǒng)1。該數(shù)據(jù)采集卡13與各個受試樣管41的基極和發(fā)射極相連，用于采集受試樣管41的正向壓降VBE；I/O控制卡12和穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源31相連，用于控制工作電流IH的通斷狀態(tài)。結溫測量及控制系統(tǒng)21通過鉑電阻監(jiān)控受試樣管41的殼溫，鉑電阻粘貼在受試樣管41的管殼上，可將測得的溫度反饋給結溫測量及控制系統(tǒng)21，同時結溫測量及控制系統(tǒng)21與制冷風扇43連接，控制制冷風扇43的開關狀態(tài)。
請參閱圖3所示，該試驗工作臺4的每塊基板44上可放置受試樣管41的工位數(shù)可擴展。每一工位包括散熱片42、受試樣管41及制冷風扇43各一個。散熱片42固定在基板44上，每個受試樣管41用螺絲固定于對應的散熱片42的表面，位于基板44下方的是制冷風扇43。
本發(fā)明一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，其使用方法是首先將各工位受試樣管41安裝在散熱片42上，然后將散熱片42固定在基板44上，同時鉑電阻與結溫測量及控制系統(tǒng)21相連，用于監(jiān)測各受試樣管41穩(wěn)態(tài)工作時的殼溫Tc。打開主控計算機11并運行控制軟件，打開穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源31和測量電源32為受試樣管41上電。然后用主控計算機11通過I/O控制卡12控制工作電流IH斷開，根據(jù)2V數(shù)字電壓表53的示值，利用電位器51調(diào)整測量電流IM的大小，使其滿足試驗要求值。之后接通工作電流IH，根據(jù)200V數(shù)字電壓表52的示值，調(diào)整受試樣管41的電壓和電流值，使其達到試驗要求的額定功率。然后控制軟件進入自動監(jiān)控狀態(tài)對所有受試樣管41施加測量電流IM和工作電流IH，使受試樣管41處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)工作至殼溫穩(wěn)定時，由I/O控制卡12控制第一工位受試樣管41工作電流IH斷開，同時數(shù)據(jù)采集卡13在極短時間(最高采樣速率100kHz)內(nèi)進行高速采樣，待采樣過程結束后，再由I/O控制卡12接通工作電流IH使該工位受試樣管41繼續(xù)保持穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，同時主控計算機11對采集得到的數(shù)據(jù)進行計算和修正，將采集的正向壓降VBE信號轉換成結溫Tj并記錄、顯示，然后對下一工位進行同樣的操作，如此循環(huán)反復。當受試樣管41結溫Tj值大于標準規(guī)定值時，主控計算機11報警并在屏幕上顯示該工位異常，結溫測控系統(tǒng)2根據(jù)結溫Tj測量值對應的殼溫＞預設溫度時，接通制冷風扇43；當受試樣管41結溫Tj測量值對應的殼溫≤預設溫度時，關斷制冷風扇43。
權利要求
1.一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，其特征在于它是由控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及試驗工作臺組成；該控制系統(tǒng)是由主控計算機系統(tǒng)和結溫測控系統(tǒng)組成；該主控計算機系統(tǒng)包括有主控計算機及數(shù)據(jù)采集卡和I/O控制卡，數(shù)據(jù)采集卡和I/O控制卡位于主控計算機內(nèi)部，它們一起構成了主控計算機系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集卡與各個受試樣管的基極和發(fā)射極相連，用于實時采集受試樣管的正向壓降VBE；I/O控制卡和穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源相連，用于控制受試樣管工作電流IH的通斷狀態(tài)；主控計算機接收和處理來自數(shù)據(jù)采集卡的信息、控制受試樣管工作電流IH的通斷狀態(tài)和時間，實現(xiàn)對發(fā)射結正向壓降VBE的測量；結溫測控系統(tǒng)的功能是控制各個制冷風扇開關狀態(tài)和時間，實現(xiàn)對受試樣管結溫的控制；該結溫測量及控制系統(tǒng)通過鉑電阻監(jiān)控受試樣管的殼溫，鉑電阻粘貼在受試樣管的管殼上，可將測得的溫度反饋給結溫測量及控制系統(tǒng)，同時結溫測量及控制系統(tǒng)與制冷風扇連接，控制制冷風扇的開關狀態(tài)；該電源系統(tǒng)是由兩組直流穩(wěn)壓電源組成，第一組測量電源提供測量電流IM，為結溫測控系統(tǒng)供電；第二組穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源為受試樣管提供穩(wěn)態(tài)工作電功率；測量受試樣管正向壓降VBE的測量電流IM較小，而試驗過程中受試樣管穩(wěn)態(tài)工作電流較大，主要由穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源提供；由于測量電流IM與工作電流IH量級不同，為了便于測量電流IM和工作電流IH的設定及工作電流IH的通斷控制，穩(wěn)態(tài)工作試驗中兩組獨立電源分別將工作電流IH和測量電流IM施加于受試樣管，測量電流IM始終存在；而在測量正向壓降VBE時，主控計算機控制工作電流IH斷開，待完成正向壓降VBE數(shù)據(jù)采集后，再由主控計算機控制工作電流IH接通，使受試樣管回到穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，其特征在于該數(shù)據(jù)采集卡選用1713卡。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，其特征在于該I/O控制卡選用1734卡。
全文摘要
一種控制晶體管結溫的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗設備，是由控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及試驗工作臺組成。該控制系統(tǒng)是由主控計算機系統(tǒng)和結溫測控系統(tǒng)組成。該主控計算機系統(tǒng)包括有主控計算機及數(shù)據(jù)采集卡和I/O控制卡，數(shù)據(jù)采集卡和I/O控制卡位于主控計算機內(nèi)部，它們一起構成了主控計算機系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡與各個受試樣管的基極和發(fā)射極相連；I/O控制卡和穩(wěn)態(tài)工作試驗臺電源相連。結溫測量及控制系統(tǒng)通過鉑電阻監(jiān)控受試樣管的殼溫，鉑電阻粘貼在受試樣管的管殼上，同時結溫測量及控制系統(tǒng)與制冷風扇連接，控制制冷風扇的開關狀態(tài)。該電源系統(tǒng)由兩組直流穩(wěn)壓電源組成。它能夠實時測量和控制受試樣管的結溫，提高功率晶體管穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗的可信度。
文檔編號H01L21/66GK101093241SQ20061008933
公開日2007年12月26日 申請日期2006年6月20日 優(yōu)先權日2006年6月20日
發(fā)明者賈穎, 李逗, 曾晨暉, 曹紅, 李霽紅 申請人:北京航空航天大學