半導體結，從集成電路中使用的數百萬個晶體管到使高亮度 LED 成為可能的大面積復合結，都容易因熱量增加而出現早期故障。當特征尺寸縮小且電流需求增加時，這將成為一個更大的問題。即使是正常操作也會導致熱量積聚，從而提高結溫。這些升高的溫度會導致結內的缺陷增加，從而導致性能下降以及壽命縮短。需要一種準確的半導體器件溫度測量方法，以確保避免臨界高溫。在本文中，
背景
結溫的理想測量是在盡可能靠近熱源的地方監測器件溫度。流過半導體結的電流產生熱量，然后熱量通過結材料流向外界。可以采用的一種方法是將溫度傳感器放置在非常靠近半導體結的位置并測量傳感器輸出信號。當熱量流向外部區域時，會導致該區域和傳感器的溫度升高。這很簡單，但由于傳感器的尺寸有限，這種技術存在物理限制。在許多情況下，傳感器本身會大于要測量的結。這會給系統增加很大的熱質量，并給測量帶來額外的誤差，從而降低測量的準確性。所以，
更好的技術是將結本身用作溫度傳感器。對于大多數材料，結的正向壓降與該結的溫度之間存在很強的相關性。結相對于結溫變為非線性的點取決于結的材料及其設計。在高達 80-100°C 的正常工作環境中，可以安全地假設大多數材料的線性度。非線性可以通過在越來越高的環境溫度下測量電壓來通過實驗確定，直到出現與線性的偏差
對于大多數設備，這種關系幾乎是線性的，可以用數學表示為：
設備特定參數
因此，在給定溫度 T j下，半導體結將具有特定的正向電壓降 V f。如果我們在兩個不同的溫度下測量 V f，我們可以計算特定結的斜率 m 以及截距 To。而且，由于這種關系是線性的，因此我們可以使用等式 1 簡單地通過測量 V f來找到不同條件下的結溫。知道Tj對于不同的工作條件和封裝，我們可以計算不同封裝類型和設計的熱參數，例如熱阻。在針對特定操作條件進行設計時，通過確保器件的最長使用壽命，這一點很重要，因為熱效應是導致器件早期故障的主要因素。
測試技術
在這種測試技術中，被測設備 (DUT) 放置在溫度室中并連接到驅動和測量設備。這可以是可編程電流源和電壓表，但也有能夠同時提供電流和測量電壓的儀器。它們通常被稱為源測量單元 (SMU)，可以大大簡化儀器。（參見圖 1。）
接下來，使用四線或開爾文測量技術將 SMU 連接到設備。四線電壓測量通過感測 DUT 周圍的電壓而不是感測 SMU 輸入端的電壓來減少電壓測量中由引線電阻引起的誤差（參見圖 3 中的四線測量特寫）。
將 DUT 放入環境室，并將室設置為初始溫度。初始點通常在 25°C 下測量，然后讓 DUT 達到熱平衡。停留時間可以通過實驗確定，但對于大多數包裝來說，浸泡 10 分鐘就足夠了
在結達到熱平衡后，向 DUT 提供一個短時電流并測量電壓降。脈沖的持續時間以及幅度非常重要。提供更大的功率（太大的電流或太長的脈沖）可能會通過加熱結來扭曲結果。很多時候，被測結是硅或復合二極管。對于這些設備類型，一個好的實驗起點是 1ms 的源電流和幾 mA 的驅動電流。如果您不確定，也可以通過使用能夠產生非常短脈沖（<1ms）的源通過實驗確定結的自熱。然后，您可以通過改變脈沖寬度進行實驗并比較每個脈沖持續時間的電壓。
該測量電壓為 V f1 @ T j1 (25°C)。
然后將溫度升高到更高的值（例如 50°C），允許 DUT 達到熱平衡，并再次提供電流脈沖。在此溫度下記錄的電壓標記為 Vf2 @ Tj2（本例中為 50°C）。
這些步驟可以在多個值上重復，然后繪制為電壓與結溫的關系（圖 2）。最好在分析中使用至少三個溫度來檢查近似值中的任何差異。
您現在可以計算直線的斜率 m 以及截距
等式 2：計算 m（等式 1 的點斜率形式）
真實世界示例：高亮度 LE
在此示例中，正在開發一種新的高亮度 LED 芯片。這種新設備的設計目的是比以前的設備承載更多的電流，我們需要確保我們可以保持高熱通量，以最大限度地降低結溫。這將確保我們為一些更嚴格的應用程序有足夠的設備壽命。當連接陽極或陰極與 LED 芯片的鍵合線損壞時，會發生常見的 LED 故障。斷裂的常見原因是鍵合線的溫度循環。這是由于散熱不足導致結溫升高的直接結果。
我們將 LED 管芯放入烤箱中，并按照上述規定的測試計劃進行。我們測量以下結果：
我們現在可以改變評估的其他方面，例如工作電流、環境/外殼溫度和封裝，只需測量 V f即可測量實際結溫。
圖 3. 四線測量技術特寫。
錯誤來源
測量誤差的最大來源來自環境室中溫度測量的不確定性。此測量通常使用熱電偶進行，其誤差可能為 ±2° 或更大。通過在 DUT 附近放置更精確的熱測量傳感器（例如熱敏電阻或 RTD）并使用單獨的 DMM 測量溫度，可以獲得額外的精度。
電壓測量的不確定性也增加了結溫計算的誤差。選擇對電壓測量具有高度準確度和分辨率的儀器是最小化此誤差的關鍵。
結溫測量中的誤差也會傳播到其他熱計算，例如熱阻抗和電阻。因此，最大限度地減少這些誤差對于獲得準確的測量結果至關重要
結論
展示了一種用于測量半導體結的結溫的簡單電氣技術。然后，這些數據可用于分析散熱、環境和源條件對相關結的影響。