利用二极管VF值与结温的关系评估大功率半导体器件的固晶可靠性

袁伟刚 赵承贤 沐运华 范庆庆 邓涛 郑金灿

（珠海格力新元电子有限公司 广东珠海 519110）

利用二极管VF值与结温的关系评估大功率半导体器件的固晶可靠性

袁伟刚 赵承贤 沐运华 范庆庆 邓涛 郑金灿

（珠海格力新元电子有限公司 广东珠海 519110）

大功率半导体器件的散热性能直接影响其可靠性，功率芯片固晶一般采用焊锡焊接提高散热性能。本文通过测试二极管的伏安特性与结温的关系，重点研究温度对PN结的影响，此影响主要表现为随着温度的升高，二极管的正向导通压降VF会线性减小，利用此特性来评估大功率半导体器件封装工艺中固晶可靠性。

二极管；PN结；伏安特性；导通压降；固晶焊锡

图1 同样的正向电流IF下，不同的PN结导通压降

图2 在不同正向电流IF下的正向导通电压VF的关系曲线

1 引言

当前，电子设备的失效形式主要表现为热失效。据统计，电子设备的失效有55%是温度超过规定值所引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品是否成功，良好的热设计是保证电子设备稳定可靠运行的基础。热设计包括器件内部芯片的热设计、封装的热设计、管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。而固晶焊锡质量与封装的热设计密切相关，并且对产品散热性具有一定的影响。封装工程中，一般只对固晶焊锡的气泡率采用X-ray进行抽样检查，还是会存在焊锡不良的风险。因此，利用二极管的正向导通压降VF与温度的关系，来评估功率器件在封装过程中焊锡的质量，并筛选出焊锡不良品。

图3 正向导通压降与温度的关系

图4 热阻测试原理图

2 功率器件热性能的主要参数

功率器件的热应力主要来自两个方面，一方面来自功率器件内部，另一方面来自功率器件外部[1]。如果功率器件的散热能力差，器件内部的热量由于积聚产生的耗散越大，导致器件内部芯片有源区温度以及结温的升高，使得器件可靠性降低，安全工作区缩小，影响器件性能。表征功率器件热能力的参数主要有结温TJ和热阻Rth。当结温TJ高于器件外部环境温度Ta时，器件内部热量由于与外界存在温差产生扩散热流。为了保证器件的可靠性，必须规定一个最高允许的结温TJMAX。TJMAX的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为Rth，热阻越大，则散热能力越差。热阻又分为内热阻和外热阻：内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热系数、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小。金属管壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻。当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低。

图5 试验电路图

图6 焊锡气泡率有差异的样品

3 PN结导通压降与温度的关系

PN结电压受两个因素影响，一为正向电流IF，二为结温TJ[2]。PN结电压随着正向电流IF的增大而增大，随着结温TJ的增大而减小。如图1所示，在同样的正向电流IF下，PN结导通压降VFF与VFI之间的差异，就是由于PN结的结温不同而引起的。根据电压与结温之间的关系，电压之间的改变就可以转换为结温之间的变化。

理想PN结的正向电流IF，反向饱和电流IS和正向压降VF存在如下近似关系：

其中：e为电子电荷，K为波尔兹曼常数，T为绝对温度。

IS与PN结材料的禁带宽度以及温度等有关，其表达式如下：

式（2）中：A，B是与面积、掺杂浓度有关的常数；ug0为绝对零度时，PN结材料的导带底价带的电势差，也就是禁带宽度。

将式（2）代入式（1），且两边取对数可得：

式（3）称为PN结温度传感器的基本方程。若IF常量，则正向压降只随温度变化。在式（3）中，除线性项u1外还包含非线性项uin。可以证明uin所引起的误差可以忽略不计，即：

综上所述，在恒流供电的条件下，即IF为常量，PN结的VF对T的关系取决于线性项u1，从式（4）中可看出正向压降几乎随温度的升高而线性下降，这就是PN结测温的理论依据[3]。

图2是一种功率二极管在不同正向电流IF下的正向导通电压VF的关系曲线。

图7 正向导通电流IF

图8 测试结果

图3 是一种PN结在一定正向电流IF下的正向导通电压VF与温度关系曲线。

4 通过二极管的VF评估焊锡质量的实现

图4是测试的简易原理图。其中：

①为PN结施加足够小的正向电流IM，使PN结产生正向导通压降VF1；IM的值很小，IM×VF1非常小，此时PN结发出的热量可以自然散失，因此可以认为此时的PN结温度与环境温度一致；

②以恒定的功率PW为PN结施加足够大的正向电流IF，使PN结产生很大的正向导通压降，并且大量发热，热量无法及时散失使其温度不断升高，正向导通压降随之不断降低，经过一段较长的时间PT，PN结温度上升到某合适的值；

③将正向电流IF撤除，PN的正向导通压降也骤然降低，随着热量的散失，PN结不断冷却，正向导通压降也随之增加，经过一个极短的时间DT，测量出PN结的正向导通压降VF2。

从而求得PN结的热阻Rth：

可见，Rth的大小与PN结所在环境散热良好程度有直接关系，当散热足够好时，Rth=0，散热越差，Rth越大，因此我们可以通过Rth来判断PN结所在散热环境的好坏；我们可以通过Rth来判断焊接功率器件的焊料的气泡率的高低。即，使用一个气泡率符合要求的样品标定出其Rth值，在相同条件下对同类样品进行测试，如果其Rth明显高出标定品（高出5%），证明其气泡率过高。

图9 随着测试频率的增加，VF测试波形

表1 不同的IF下测得的VF值

表2 正向导通压降VF测试数据

5 试验结果

针对一种智能功率模块的续流二极管，额定电压为600V，额定电流为10A，10A下的正向导通电压最大为2.2V。试验电路图如图5所示。

试验对象为规格一样，焊锡气泡率不一样的两个样品，一个气泡率为小于3%，另一个气泡率为大于5%，如图6所示。

试验时，将两个样品放置在散热环境一致的条件下进行测试，测试初始电流为1A，脉宽为20ms；第二阶段电流为10A，脉宽为30ms；第三阶段电流为1A，脉宽为10ms。所施加正向导通电流IF如图7所示；试验结果波形如下图8所示；正向导通压降VF测试数据如表2所示。

由表2测试数据可得，焊锡不良可导致续流二极管的散热性变差，导致样品1（气泡率1.132%）与样品2（气泡率5.526%）在同样的正向电流下具有不同的正向导通压降VF。

另，随着测试频次的增加，VF测试波形也有相应的变化，如图9所示。

由图9（a）（b）（c）可得，随着测试频率的增加，模块温度上升，续流二极管正向导通压降VF值也相应的下降。在经过10A的电流后再施加1A的电流时，正向导通压降VF明显比第一次通1A的正向电流时的正向导通压降要小的多。充分验证了二极管PN结正向导通压降在电流一定的条件下，随着温度的升高而下降的特性。

6 结论

通过理论分析和试验验证发现，智能功率模块续流二极管的正向导通压降VF与温度在正向电流IF不变的情况下，具有线性关系，并随着温度的升高而有所下降。此特性运用与评估封装工艺中固晶焊锡质量的好坏完全适用。若焊锡质量比较差，续流二极管由于热量积聚，导致结温升高，正向导通压降减小。相反，则正向导通压降基本没有变化。在实际运用中，大功率半导体器件如果固晶焊接质量差，散热能力降低，则模块的可靠性就会有所下降，利用二极管VF值与温度的关系可评估大功率半导体器件的固晶可靠性。

[1] 王建石. 电子设备结构设计标准手册[M]. 北京：中国标准出版社，2001.

[2] 陈水桥. PN结正向压降温度特性的研究和应用[J]. 物理实验, 2000,20（7）：7～9.

[3] Jason chonko.Using Forward Voltage to Measure Semiconductor Junction Temperature[Z]. KeithleyInstruments Inc.,2006.

Using the relationship forward voltage of diode and the junction temperature is used to evaluate the die bonding reliability of high power semiconductor devices

YUAN Weigang ZHAO Chengxian MU Yunhua FAN Qingqing DENG Tao ZHENG Jincan
(ZHUHAI GREE XINYUAN ELECTRONIC CO.,LTD. Zhuhai 519110)

The thermal performance of high power semiconductor devices directly its reliability, the die bonding of power devices use solder welding to improve the heat dissipating property. In this paper, testing the relationship between the volt ampere characteristic and junction temperature of the diode, to study the effect of temperature on PN junction. The influence mainly is with the increase of temperature, the forward voltage drop of the diode decreases linearly. Use this feature to evaluate the die bonding reliability of packaging technology for high power semiconductor devices.

Diode; PN junction; Volt ampere characteristic; Forward voltage; Die bonding