技術情報 Technical Information
過渡熱抵抗測定／Thermal Resistance Test
1．熱抵抗測定原理
Principle of thermal resistance test
半導体の熱抵抗は、電力損失に対する損失部分の温度差より求められる。
半導体素子の電力損失部分であるコレクタ
やICのチップ温度を直接測定することは、素子の構造や形状から見ても不可能である。そこで温度に対し比例するPNジャンクション
や、温度上昇に敏感なICBO等により温度上昇を知る方法が用いられる。一般的にはPNジャンクションを用いた順方向立ち上がり電圧［VF］を用いて、温度を知る方法が取られる。
fig-2は半導体NPNトランジスタのPNジャンクション（ベース―エミッタ間）の温度に対するVFBEを、恒温槽を用いて測定したデータである。温度に対してV FBE はほぼ直線的である。この時、測定は素子の内部電力損失による自己発熱が無視できる程小さい測定条
件で求める必要がある。
The thermal resistance of a semiconductor
is determined from temperature differenceof power loss.
From structure and form of a device, it is
impossible to measure the temperatures ofcollector which is power loss of asemiconductor device, and IC chips directly.
Then, PN junction proportional totemperature and a method obtaining thetemperature rise using I CBO etc. that issensitive to temperature rise are used.
Generally, method of obtaining temperatureusing forward voltage [VF] with PN junction
is used. Data obtained by measurement of
VFBE (of temperature of PN junction (baseemitter) of NPN transistor) using
thermostatic bath is shown as fig-2. VFBE isalmost linear to temperature. At this time, itis necessary to carry out the measurementwith small measurement condition that canneglect self-generated heat occurred byinternal power loss of a device.
恒温槽

1mA

Digital Voltage Meter

fig-1
650mV
638mV

Measurement condition=IM=1m

500mV

2mV/℃

VF
350mV

0

fig-2

6

30℃36℃
℃

105℃

180℃

fig-1より、VF値を知ることによりチップの温度を知ることができる。
左記の測定回路を恒温槽から出し、手で握ると手の温度のV F値638mVが測定されているということである。fig-2より638mVは36℃
で手のひら＝体温といえる。即ち恒温槽で測定したデータを用いると、ダイオードのVF
値を測定することにより、温度を知ることができるということがおわかりと思う（fig-3）。
From fig-1, temperature of the chip can be
determined by obtaining VF value.
If the measurement circuit (alreadymentioned at the left column) is taken out
from thermostatic bath and grasped by ahand, V F value of 638mV that is thetemperature of a hand is measured. Fromfig-2, 638mV is 36℃, and a palm = body heat.
In other words, when data obtained bymeasurement using thermostatic bath, it ispossible to determine the temperature bymeasuring VF value of a diode. (fig-3)

flange etc., thermal resistance is generated.

2．ダイオードの順方向電圧によるθt 測定の原理
Principle of θt measurement using theforward voltage of a diode1）ダイオードのT-VF法を求める。
Determine the T-VF method of a diode.
恒温槽にて常 温（25℃）↓
高 温（180℃）
D.U.T.

V

fig-4
680mV
K＝2mV/℃
VF
370mV

1mA

0

fig-5

25℃

180℃

℃

638mV

fig-3

Digital Voltage Meter

熱抵抗：1Wの熱の移動。即ち毎秒1ジュールの熱の移動による温度差（℃/W）
Thermal resistance：
The shift of the heat of 1W.
Temperature difference (℃/W) causedby the shift of the heat (1Joule/s).
熱抵抗測定はこのV F 値の変化を温度に見立てて行うことができる。半導体は極力内部の発熱密度を低減する目的で、フランジ等を設けチップで発生した熱を熱源の近くで拡散させ、早く全体に広げ発熱密度を下げるとともに伝導抵抗の低下を計っているが、それでもチップとフランジの部分など接触面を通して熱が流れる部分は温度の不連続を生じ、それぞれに熱抵抗を発生させる。
Thermal resistance test can be performedby likening change of this V F value totemperature. A semiconductor diffuses heat
which occurred in a chip near the heatsource, spreads out to whole area andreduces density of heat generation preparing
a flange for the purpose of reducing internal
density of heat generation as much as
possible. Then, it makes the heat floweasier. However, discontinuity of thetemperature occurs at the part where theheat flows through contact surface (chip andflange etc.). Therefore, in a chip and a①IM電流を流しダイオードVFの初期値VF1を測定する。例）VF1=680mV
Feed IM (measurement current) through thediode and measure VF1 (the initial value ofVF).
Example）VF1=680mV②IF電流を印加しダイオード両端の電圧を読み取りながら一定電力を一定時間印加する。例）W=20W×0.1sec
Force constant power for constant time,
forcing IF (forward current) and reading thevoltage across the diode. Example）
W=20W×0.1sec③IM電流を流し、ダイオードVFの加熱直後（100μs以内）のVFを測定しVF2を測定する。
例）VF2=480mV
Feed IM current through the diode, measure
VF immediately after (within 100μs) heatingof the diode, then measure VF2.
Example）VF2=480mV
②
①
VF1

③
680mV
VF2
480mV

IM ON

IF ON

fig-6

技術情報 Technical Information
過渡熱抵抗測定／Thermal Resistance Test
以上の試験により
P=20Wを0.1sec印加したことによる過渡熱抵
抗Rthは、
By the above-mentioned test, thermal
resistance Rth by forcing (P=20W, 0.1sec) isshown as the following formula.
t1−t2
P

Rth=

=

2mV/℃

それでは、P=20Wで印加時間を0.2secに長くしたらどうなるであろうか。
VF2の値が下がり温度差が増すことが予想できるが、印加時間に対しどのようにRth変化
するかはダイオードの内部構造により異なる。なぜなら発熱の拡散する時間内にある熱抵抗によりチップの温度が変化するからである。
Then, what will happen if the PT (powertime) becomes longer (P=20W, 0.2sec)?
Smaller V F2 value and an increase of thetemperature difference are considered. For
the PT (power time), the way Rth changes
depends on internal structures of the diode.
It is because of that the temperature of achip changes by the thermal resistance inthe time when a heat generation diffuses.
チップ

フランジ
（金属部）
フランジ
チップ

空気
C1

C2

（金属部）

熱の伝わりは金属に対し一定の広がりをもって拡散するため、時間に対し擬似的に対数的な広がりとして扱うことができる。
Since the heat conduction diffuses equally
through metal, it spreads like a logarithm inproportion to the time.
チップ（発熱源）

t
熱流

金属内

RA

Rth (j-c)
t3 t4

t5

t6

t7
放熱板無し

RB
熱流

Rth

RC

RF

金属A

RE

金属B

RF

等温面

放熱板有り

RE

RD
RA

RB

RC

RD

Rth (j-c)

チップから放熱板までの熱移動時間

fig-11VF1−VF2
680−480200= K×20 = 20・K
K・P

j

Rth (j-a)
飽和熱抵抗

過度熱抵抗

fig-9

より

= 10mV/W = 5℃/W

fig-7

チップ（発熱源）
t1 t2

RA：チップ内の熱抵抗
RB：チップと金属Aとの接合熱抵抗
RC：金属Aの熱抵抗
RD：金属Aと金属Bとの接合熱抵抗
RE：金属Bの熱抵抗
RF：金属Bと外気との熱抵抗

3．熱抵抗測定器を用いての安全動作領域試験
RA：Thermal resistance inside the chip
R B：Junction thermal resistance with thechip and the metal A
RC：The thermal resistance of the metal A
R D：Junction thermal resistance with themetal A and the metal B
RE：The thermal resistance of the metal B
R F：Thermal resistance with the metal B
and the outside air
従って、PT (Power Time) に対して過渡熱抵抗がどのように変化していくかというと
fig-10のように熱抵抗に沿った曲線を描くことになる。ただ半導体は形状も多様でチップから外気への放熱時間も部分により異なり、
理想通りの曲線を描かないがそれに近い曲線を描く。またRFの金属Bと外気の熱抵抗の部
分に放熱板等を取り付けた場合は、R F は低下しfig-11のような曲線を描く。
Therefore, the change of the thermal
resistance by PT (Power Time) of constant
power will draw a curve like fig-10 whichgoes along with the thermal resistance.
However, a semiconductor does not draw an
ideal curve (but very close), because
semiconductors have wide variety of forms
and heat discharging time (from the chip to
outside air) varies depending on a part.
Moreover, when a heatsink etc. is mounted
to a area where thermal resistance (of themetal B of R F and outside air) occurs, R F
declines and draws a curve as shown as fig11.

等温面

fig-8

RF
Rth
RE

また、発熱量と放熱量が合致した点で温度は安定する。
Moreover, the temperature becomesstable at the point that heat value and heat
discharge value coincided.

fig-11よりチップから放熱板までの熱移動の時間を知ることができる。
Time of heat shifting from the chip to theheatsink is shown as fig-11.

RA

RB

RC

RD

PT (sec)

fig-10

Safe operating area test using a thermal
resistance test
トランジスタの安全動作領域を求める試験法としては、ラッチング法・パルス印加法・過渡熱抵抗法などがあるが、試験法によってはトランジスタを破壊することがある。その点過渡熱抵抗法は、２次降伏の発生の変化を
接合部の温度上昇（Thermal Runaway）として観測する安全な方法である。
半導体の安全動作領域は要素により4つの領域に分けられる。
Latching method･pluse forcing method･
thermal resistance method etc. are methodsof determining the safe operating area of atransistor. Depending on a method,transistors are sometimes destroyed. For
that point, the thermal resistance method
takes a safe style: observing a change in an
occurrence of second breakdown as atemperature rise (Thermal Runaway) of ajunction.
The safe operating area of a semiconductor
is divided into the following 4 areas.
実際に半導体を使用する時は、その半導体の最大電流とVCE耐圧についてはカタログで知ることができ、半導体を使用するにあたっては守られるのが通常であるが、領域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲについては電力印加時間とディレーティン
グにより異なることから、半導体を利用するにあたっては是非、知りたい情報である。
In using a semiconductor, you can find a
maximum current and VCE isolation voltage
in each catalogue. The specifications must
be adhered to in use of semiconductors.
But, as for the safe operating areas Ⅰ, Ⅱ
and Ⅲ, they differ according to PT (powertime) and derating. Therefore, for using
semiconductors, safe operating areas areimportant.

7

技術情報 Technical Information
過渡熱抵抗測定／Thermal Resistance Test
領域 I

10m
s
10
0m
s

最大電流で規定
領域III

IC

350mV

最大定格で規定IC

VCE MAX

fig-12

VCE

fig-13

領域１……電流制限（最大定格電流により制限される領域）
Current limit (an area restricted by the
maximum rated current)

4．過渡熱抵抗測定における安全動作領域(SOA)測定法
Safe operating area (SOA) test method

領域２……熱破壊によって制限される領域
Area restricted by thermal breakdown

半導体内部の温度を知る方法として、内部のPN接合部電圧の温度による低下である△
VFより温度の上昇を知ることが出来ること

領域３……S/b Limit 2次降伏によって制限される領域。トランジスタの一部が何らかの原因によって他の部
分よりも温度が上昇したとすると、その部分に流れる電流が増加し、さらに部分電力損失が増加し、ますます温度が上昇する。
この様な現象が局部的に繰り返
され、真性半導体となって電流コントロールができなくなる部
分(HOT SPOT)が発生し、破壊へとつながる。
Restricted area (by a second breakdown of
S/b Limit)
If a temperature rise occurred on a part of atransistor somehow, a current to flow will
increase. Further, power losses will also
increase and temperature rises increasingly.
Such a phenomenon is repeated partially,
and it becomes an intrinsic semiconductor.
It makes a part that current control is
impossible (HOT SPOT), eventuallydestruction.

を前に述べた。従ってダイオードのみならず、
半導体のPN接合部分の電圧変化を知ることが出来れば、温度上昇を知ることが出来るのである。
As mentioned already, to determine thetemperature of inside of a semiconductor,
temperature rise can be obtained from △VF(a decrease in a temperature of internal PN
junction voltage).
Therefore, thetemperature rise can be determined if
voltage change of PN junction ofsemiconductors (not only diodes) is
obtained.

領域４……定格電圧によって制限される領域
Restricted area (by the rated voltage)
安全動作領域を知るには、各印加時間に対する電圧と電流値が350mVになるポイントをプロットすることにより、Tj＝175℃での安全領域を求めることができる。
In order to determine the safe operating
area, by plotting the points (to make thevalue 350mV) of voltage and current of eachpower time, safe area in Tj = 175℃ can beobtained.

of thermal resistance test

Since the SOA test of a transistor is
carried out with PN junction, normally, thetemperature of a transistor must be detectedwith changes in a VBE voltage (B-E).
① まずトランジスタにV CB 電圧を印加し、その時にI M （測定電流）を流し、電力
印加前の常温でのVBE電圧値VBE1を測定する。（加熱しないよう、小さな電力で測定する。）
Force VCB voltage to the transistor. Feed IM(measurement current) and measure VBE1
(VBE voltage in ordinary temperature before
forcing the power). (Measure with small
power so that heating does not occur.)② 次にI E 電流を一定時間(T)印加する。この時トランジスタはVCE×IE(W)の電力で加熱される。
Next, force IE (emitter current) for constanttime (T). At this time, the transistor isheated with the power of VCE×IE(W).
③ 状態を高速で①と同じIM電流バイアスに戻し、電力印加直後のVBE2を測定する。
Turn back the state into I M current bias
(same as ①'s) with high speed. Measure
VBE2 immediately after power forcing.
電力印加前のVBE1測定

トランジスタではB-E間又はB-C間にPN接合部がある。又、FETはS-D間に寄生のダイオードがあり、これを使って内部ジャンクションの温度を測定し、安全動作領域を測定する。（PNジャンクションを使用する方法が最も安定した方法ではあるが、他の温度変化部分、例えばFETでのV GS 部分
又はリーク電流やHFEでも温度を知ることはできる。）A transistor has a PN junction at B-E or BC. Moreover, a FET has a parasitic diode at
S-D. Using this parasitic diode, the safe
operating area can be tested by measuring
internal junction temperature.
(Using PN
junction is most stable. However, it ispossible to determine the temperature byother temperature changes, for example, by
VGS, leakage current or HFE of a FET.)
DEVICE

VCB

VBE1
IM

（VBE1測定）
電力印加（加熱）

VCB
VCE

IE

（Pw=IE×VCE）
加熱電力
電力印加直後のVBE2測定

温度検出に使用する部分

DIODE

A-K間

Transistor

B-E間、C-B間

MOS-FETS-D間、G-E間(VGE法)

IGBT

G-E間(VGE法)、D-S間(ON電圧法)

SCR

G-K間、A-K間(ON電圧法)

GaAs-FET

G-S間

fig-14

8

350mV

350mV

領域IV

VCE

トランジスタのSOA測定を例に取るとPN接合であることから、通常トランジスタの温度検出はB-E間VBE電圧の変化で検知する。

350mV
領域 II

IC MAX

VCB

VBE2
IM

fig-15（VBE2測定）技術情報 Technical Information
過渡熱抵抗測定／Thermal Resistance Test
④ 常温でのV BE1 値と、電力Pw=I E ×V CE を印加した直後のV BE2 値より△V BE =V BE1 VBE2を求める。B-E間はP-N接合であることから約2mV/℃の温度変化があることが知られている。
従って、△VBE÷2mV/℃より一定電力印
加によってトランジスタがどのくらい温度上昇したかを知ることができる。
Calculate △V BE =V BE1 -V BE2 from V BE1 inordinary temperature and VBE2 (immediately
after forcing the power Pw=I E × V CE ).
Temperature change will occur (approximately
2mV/℃) at B-E because of PN junction.
Therefore, from △ V BE ÷ 2mV/℃ ,temperature rise of the transistor isdetermined by constant power forcing.
例えば
VBE1値 = 650mV↓
電力印加 = VCE×IE
50V×2A=100W（1sec）↓
VBE2値 = 450mVとなったとすると△VBE値 = 650mV-450mV= 200mVとなり、このトランジスタは100W（1sec）を印加したことにより、△VBE=200mV即ちB-E接合部が約100℃温度上昇したことになる。
By forcing 100W (1 sec), this transistor is
supposed to rise (100℃) its temperature of△VBE=200mV, i.e. B-E junction.
更に電力を上げ、50V×4A=200W（1sec）
で△VBE=350mVになったとすると、接合部温度Tjは175℃になったことになる。
逆にTj max=175℃のトランジスタでは、
1secで200Wが限度ということになる。
SOA曲線を求めるには、一定時間でのTj
Max Pointを電圧、電流を変えてプロッ
トすることで求められる。
If the power is raised to 50V×4A=200W(1sec) and △V BE=350mV, Tj the junction
temperature is supposed to become 175℃.
Conversely, with a transistor of Tj
max=175℃, 200W is supposed to become alimit at 1sec.
In order to determine SOA curve, change
and plot the voltage and the current of the Tj
Max Point in a constant period of time.
△VBE法による安全動作領域（SOA）の測定は実際にトランジスタが破壊する点と比べるとかなり内側にあり、半導体を使用する側にとっては、設計するに当たり、安心して使用できる曲線である。
Compared to actual breaking point oftransistors, safe operation area (SOA) testwith △V BE method takes low area. For
people using semiconductors, it draws
reliable curve in designing.
350mV

350mV
最大電流で規定

350mV
350mV

350mV

350mV

最大定格で規定IC

VCE

fig-16In thermal resistance test, it is requested
to turn off the power with high speed (within
0.5μs), and to measure VF with IM current
stabilized by 1mV resolution capability(sometimes 0.1mV resolution capability)
within 50μ s immediately after power
forcing. And, measurement circuits havestrong constraints. Therefore, it is difficult
to carry out a measurement with commercial
power supplies.
We, CATS Inc., have been supplied to
semiconductor plants and researchorganizations, developing thermal resistancetester corresponding to various devices(from GaAs-FETs to high power IGBTs).

5．熱抵抗測定器で何を知ることができるか
What does a thermal resistance tester
tell us?
1）Rth曲線を求めることにより、半導体内部の熱抵抗バランスを知ることができる。
By obtaining Rth curve, the thermal
resistance balance inside a semiconductor
can be determined.
2）θj-c/θj-aを知ることができる。
θj-c/θj-a can be determined.
3）チップ（発熱体）からケースまでの熱移動時間を知ることができる。
Time of heat shifting from a chip (heating
element) to a case can be determined.
4）素子の安全動作領域を知ることができる。
A safe operating area of a device can be
determined.
上記項目を知ることにより、半導体内部の改善や半導体取り付け方法の改善が行えるほか、熱規定（Tj）に対し安全な対策を講じることが可能となる。
過渡熱抵抗測定するに当たっては、電力を0.5μs以内の高速でオフし、電力印加直後50
μ s 以内に1 m V の分解能（物によっては0.1mV分解能）で安定したIM電流にてVF値を測定することが要求されるなど、測定回路上の制約が大きく、市販の電源を並べて測定す
ることは困難である。
当社では、GaAs-FETから大型IGBT素子
まで、数々の素子に対応した過渡熱抵抗測定器を開発し、半導体工場や研究機関に納入している。
By determining the above-mentioned
item, improvement of the inside ofsemiconductors and mounting ofsemiconductors can be performed. Safetymeasures against thermal specification (Tj)
can be taken also.

9