[发明专利]一种基于数学滤波算法的结温校准方法

摘要

一种基于数学滤波算法的结温校准方法属于电子器件测试领域，传统的半导体器件结温测量方法有电学法、红外法等。由于理论误差及测量过程中噪声的存在，以上方法均不能准确测量半导体器件结温。本发明将半导体器件视为一个具有单输入，双输出，在时间上离散的动态系统。其中输入为上一时刻的热功率矩阵双输出分别为本时刻的结温及热功率矩阵通过不断递归运算对半导体器件结温进行实时，有效的校准。本发明是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入观测系统输出，对系统状态进行最优估计的算法。该算法能在测量方差已知的情况下从一系列存在噪声的数据中，估计动态系统的状态，获得更为接近真实值的数据。

主权项

1.一种基于数学滤波算法的结温校准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，利用器件夹具将半导体器件与半导体校温曲线测量装置连接，置入温箱，通过电学法测量并建立半导体器件的温度‑电流‑电压校温曲面；步骤二，将半导体器件与半导体热阻测量仪，测量半导体器件的热阻组成，建立RC热阻模型；步骤三，根据步骤二中获得的RC热阻模型，建立状态空间方程；状态空间方程具有以下形式：xk＝Fxk‑1+GukTk＝Cxk+Duk其中k代表k时刻，k‑1代表相对于k时刻的上一时刻，F为状态矩阵，G为输入矩阵，C为输出矩阵，D为直接传输矩阵，uk为系统输入矩阵，F、G、C、D和uk的形式根据待测器件RC模型的不同而不同，Tk为k时刻结温，xk和xk‑1分别为k及k‑1时刻的热功率矩阵；步骤四，在k＝0时刻，根据待测器件所受电应力计算，获得热功率矩阵初始值根据测量精度要求确定误差协方差初始值在这里变量中包含的符号+和‑含义如下：+符号表示该变量为通过测量得到或经过校准后的确定值，‑符号表示该变量为通过计算或预测获得，未经过校准的不确定值，例如热功率矩阵初始值为k＝0时刻通过电应力计算获得的、未经校准的热功率矩阵，误差协方差初始值为根据测量精度要求所得到的确定值，其它变量符号同理，当误差分布不确定时，误差分布采用高斯分布；同时假设电学法测量过程中，引入的过程噪声的协方差为Q，通过多次测量工作条件下半导体器件电应力，依据步骤一中建立的温度‑电流‑电压校温曲面确定温度，获得温度值，通过统计多次测量结果确定噪声增益矩阵H；则得到预测阶段的状态方程为：其中F、G、C、D和u_k含义如前文所述，为k时刻的热功率矩阵预测值，为上一时刻的经过校准的热功率矩阵，代入初始值获得k时刻的热功率矩阵预测值结温预测值及误差协方差步骤五，将半导体器件接入工作电路，施加电应力，使半导体器件进入工作状态，此时使用半导体校温曲线测量装置(3)测量半导体器件两端电压‑电流值，与步骤一中的校温曲面进行对比，即获得半导体器件结温Tk作为观测值；步骤六，根据步骤三中的状态空间方程，建立校准阶段方程如下：其中e_k代表测量温度差值，其意义为预测的温度与测量到的温度T_k的差值；K_k为滤波增益矩阵，由k时刻的预测预估误差矩阵输出矩阵C和引入的测量噪声的协方差R计算获得，当引入的测量噪声的分布无法测量或者难以确定时，采用高斯分布；在获得滤波增益矩阵K_k的基础上，结合测量温度差值e_k，k时刻的热功率矩阵预测值及参数a，经过计算获得k时刻的热功率矩阵参数a的选取根据以下原则：当待测器件处于非开关条件下时，a取0，当待测器件处于开关条件下工作时，a取1，在校准阶段的最后，通过k时刻的预估误差矩阵预测值和输出矩阵C及滤波增益矩阵K_k获得k时刻的预估误差矩阵供下一时刻的计算使用；步骤七，根据针对待测器件建立的状态空间及状态空间方程，该方程具有以下形式：其中F为状态矩阵，G为输入矩阵，C为输出矩阵，D为直接传输矩阵，u_k为系统输入矩阵；结合预测阶段获得的k时刻的热功率矩阵能够计算获得k时刻经过校准的结温步骤八，将步骤六中的作为新的代入步骤四中，重复步骤四、五、六，七，进行递归，不断获取下一时刻的结温及热功率矩阵，实现结温的动态校准。