半导体功率器件测试用热板校准方法研究.pdf

半导体功率器件测试用热板校准方法研究兰 赛刘云超吴双双（湖南省计量检测研究院）摘要：半导体功率器件温度特性是评价器件性能的关键指标。热板或热台是半导体功率器件温度特性测试的重要设备，其温度性能关系着试验结果的准确与否。本文通过分析其工作原理和校准参数，结合热板的实际应用，提出了校准方法，并以实例证明该方法的可行性。关键词：热板；热台；功率器件测试；校准方法 ：，：；引言半导体器件参数及温度特性的测试是评价其性能的关键指标。热板也被称为热台，可精确控制温度平台，广泛应用于为半导体测试提供一个恒温环境或者快速温变的环境 。它可快速加热或保持在一定温度下，也可保持一定的变温速度。相对于高低温箱等其他恒温设备，具有温度变换速度快、体积小、高热负荷吸收和便于使用等特点，是开展半导体平坦表面型半导体器件的理想选择，如射频器件和高密度功率器件测试（和 ）。此外，还被用于导热元件和材料的测试。因此，其温度科学合理的校准方法，对确保测试准确性，提升测试水平具有重要意义。热板工作原理及主要校准参数 工作原理热板一般由导热板、加热丝、温控器和测温元件组成。将加热丝置于导热板下或内部，测温元件布置在导热板中，温控器通过测温元件反馈，控制加热丝，从而实现温度控制 。在主加热丝之外，为了提高控制精度和温度控制准确性，可通过增加补偿加热丝的方式进行复合控制。而具有制冷功能的热板，则通常采用压缩机制冷方式，也可采用低温冷却系统，使用液体氮或液态二氧化碳实现快速温度变化和较宽温度范围。其温度范围广，温度调节范围可从室温到 ，且热板面积从几十平方厘米到几十平方分米，温度变化可高达 。校准参数的选择功率器件研发和生产过程中，需通过测试确定芯片的温度稳定性和温度敏感性。测试时，需保持器件区域的温度均匀，避免局部过热或过冷，以及避免芯片被烫伤或烧坏；选择适当的测试设备和温度控制方法，确保测试结果的准确性和可靠性 。根据试验需求，热板的主要参数为温度准确性、温度稳定性、表面温度均匀性。温度示值误差主要 计量与测试技术 年第 卷第 期表征热板显示温度与实际温度的偏差；温度均匀性表征热面有效工作的区域的温度偏差；温度稳定性表征热板温度的控制稳定性。校准用标准仪器的选择根据被校准对象工作要求，避免频繁移动传感器及打开测试仓影响测试结果，校准用标准器宜选用一组 支同型号热电偶原理的自重式表面温度计，最大允许误差不大于 ，响应速度小于 ，测量结果的一致性小于 。校准方法 校准前检查（）校准前，被测表面应无油污、无灰尘、无水分等，且平整、无明显倾斜，确保温度计与被测表面之间的接触良好 。（）校准周边无影响测量的振动、气流等因素。测量位置的选择根据被校准热板测试对象的特点，测量位置应按设备厂商标称有效工作圆形区域或器件测试时需求工作方形区域布局 。自重式表面温度计布放如图 所示，其中，点为工作区域的中心点；点均匀分布于工作区域的边沿。?图 工作区域测量点分布图 校准过程温度示值误差、温度稳定性和温度均匀性的校准可同步进行。选择需要校准的温度点，一般在常用温度点和上下限温度进行。将表面温度计置于测量位置，设置热板的控制温度为选择的校准温度点，按照制造商要求的稳定时间稳定后，每分钟读取控制器显示值和表面温度计的示值 次，连续记录 次作为示值误差、温度稳定性和均匀性的原始数据。单独进行温度示值误差校准的点，只测量中心点位置 的温度。数据处理温度示值误差按式（）计算：（）式中：控制器显示值的 次读数平均值，；位置 的表面温度计的 次读数平均值，。温度稳定性按式（）计算：（）式中：被校热板 的 温 度 稳 定 性，；位置 表面温度计 次测量值的最大值，；位置 表面温度计 次测量值的最大值，。单次温度均匀性按式（）计算，取 次测量中均匀性的最大值作为该热板的均匀性测量结果。（）式中：被校热板的温度稳定性，；表面温度计中第 次读数的最大值，；表面温度计中第 次读数的最小值，。试验结果对某一功率半导体测试设备的热板进行试验，该设备热板参数要求温度示值误差的最大允许误差为 ，均匀性小于 。根据实际使用情况，选择常用点 、进行示值误差校准，在 进行温度稳定性和温度均匀性的校准，校准结果如表 表 所示。表 温度示值误差校准结果单位：校准点 显示温度 实测温度 示值误差 表 温度稳定性校准结果读数时间 点实测温度 温度稳定性 （下转第 页）兰赛等：半导体功率器件测试用热板校准方法研究根据 计量标准考核规范，可通过比对法进行结果验证，如表 、表 所示。表 微分式内距尺检具检测结果单位：内距尺检定点内距尺读数检具各检定点读数校对零位检具读数校对量杆长度示值误差数量 刻线 表 全自动轮对内距尺检具检测结果单位：内距尺检定点内距尺读数检具各检定点读数校对零位检具读数校对量杆长度示值误差数量 刻线 验证分析微分式内距尺检具检测数显轮对内距尺的扩展测量不确定度为 （）；检测刻线式轮对内距尺的扩展测量不确定度为 （）；全自动内距尺检具检测数显轮对内距尺的扩展测量不确定度为 （），检测刻线式轮对内距尺的扩展测量不确定度为 （）。测得值分别为、，则 值为：槡 槡检测数显轮对内距尺 值的计算结果见表 。表 值的计算结果内距尺检定点（）（）数量 刻线 结论综上所述，比对结果 值均小于 ，评价结果满意，全自动轮对内距尺检具可推广使用，满足量值溯源要求。参考文献 （铁道）铁路机车车辆轮对内距尺检具 铁路机车车辆轮对内距尺 测量不确定度评定与表示 计量标准考核规范 （上接第 页）表 温度均匀性校准结果读数时间 最大值 最小值 单次温度均匀性 温度均匀特性 结论本文从半导体功率器件测试用热板应用需求出发，参考表面温度源的校准方法，结合其日常使用情况和经验，提出了热板的校准方法，并通过试验验证了方法的可行性。采用多支自重式传感器进行校准，避免了频繁操作对热板产生的扰动，保证了校准状态与实际工作状态基本相符。由此可知，该方法具备较强的实用性，对开展其校准具有一定的指导意义。参考文献 邹策策 模块电热特性测试试验研究 天津：河北工业大学，周春德，黄其煜 功率半导体热参数的测量 中国集成电路，（）：王慧娟，谢川东，徐阳，等 恒温振荡培养箱校准方法研究 计量与测试技术，（）：徐国春 运动鞋热阻测试方法的研究 计量与测试技术，（）：纪金龙 一种热补偿式高精度表面测温仪的研究 中国计量，（）：李莉，张琳，徐毅 表面温度源温场校准方法探讨 工业计量，（）：莫炎燕等：基于图像识别技术全自动机车车辆轮对内距尺检具校准结果的验证