Application Note
パワーデバイスpn 接合の順方向電圧を用いた温度測定の注意点
半導体デバイスのジャンクション温度を見積もる目的で、pn 接合部の順方向電圧を測定することがありますが、間違った測定を行うと正しい結果が得られないことがあります。このアプリケーションノートでは、温度測定における注意点を説明します。尚、このアプリケーションノートの内容は半導体デバイスの種類によらず、一般的に使用できる内容です。

機器動作状態でセンシングダイオードを測定しジャ次に考えられる方法は、発熱源の動作に影響しないピンに付いている、ンクション温度を見積もる方法

ピン保護用ダイオード（主に静電破壊保護）を利用することです。

pn 接合の順方向電圧の温度特性が概ね-2mV/℃で変化することした状態でセンシングダイオードの順方向電圧を同時に測定することがを利用して、デバイス内に存在する pn 接合の温度特性を予め測定できます。この例では発熱源とセンシングダイオードにそれぞれグラウンドする事でジャンクション温度を推定することができます。測定する pn 接ピンがありますが、グラウンドピンが 1 ピンしかない場合は、発熱源の電合はデバイスのピンからアクセスすることが可能なダイオード素子を使用

流変化によりグラウンドピン電圧が変調するため、順方向電圧が正しくし、これをセンシングダイオードとします。

計測できているか確認する必要があります。

Figure 2 に測定回路の一例を示します。この場合は発熱源を動作

Figure 1 のように、発熱源であるパワー段が MOSFET で、センシン発熱源グダイオードがその MOSFET のボディーダイオードである場合は両者のセンシングダイオード距離が近いため精度が高い温度が得られます。

順方向電圧測定回路

発熱源

センシングダイオード

Figure 2. 発熱源の動作に影響しないピンを利用した
順方向電圧測定の一例
半導体チップの大きさは数ミリ角と小さいため、発熱源とセンシングダイオードの温度はどの位置関係にあってもほとんど変わらない印象があり
Figure 1. 発熱源とセンシングダイオードが近い場合は精度が高いますが、実際には両者間の距離によって大きな温度差があります。

温度が得られるが、機器動作回路でセンシングダイオード電圧の微少Figure 3 に一例を示します。この例では発熱源の中心とセンシングダな変化を正確に測定するのは現実的ではない

イオードの位置は約 2mm 離れています。温度は約 20°C 低下しており正しい温度測定ができていないことが判ります。チップレイアウトを

しかし、Figure 1 の例のように、スイッチング回路などが動作した状態理解しているデバイスメーカーから指定されたピンで測定を行う必要がでセンシングダイオードの順方向電圧を測定しようとすると、機器動作あります。

回路と順方向電圧測定回路を、リレーなどを用いて高速に切り換えて測定する必要があります。機器動作回路はノイズが多いため、順方向電圧の微少な変化を高速に安定して測定するのは現実的ではありません。

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発熱源
157.7 °C

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前述の機器動作状態でセンシングダイオードを測定する方法は、適切センシングダイオード
137.0 °C

な位置にセンシングダイオードが存在するデバイスが少ないことより、ロームでは ΨJT を用いたジャンクション温度見積もりを推奨しています。

まとめY

pn 接合の順方向電圧を用いた温度測定について特徴と注意点をX

以下にまとめます。

Figure 3. チップレイアウトと温度

特徴

発熱源と温度測定点間の距離が離れていると・ジャンクション温度を直接測ることができる。

正しい温度測定ができない

注意点・発熱源と測定点の距離が離れると正しい温度ではなくなるため、チッΨJT を用いたジャンクション温度見積もり

プレイアウトを理解しているデバイスメーカーから指定されたピンで測定

熱特性パラメータ ΨJT を用いてジャンクション温度を見積もる方法があを行う必要がある。

ります。ΨJT はデバイスのジャンクションからパッケージ上面中心温度までの熱特性パラメータです。ジャンクション温度は式(1)で計算すること参考資料ができ、実際の動作基板または似た仕様の基板で測定したΨJT と、実際の動作基板で測定したパッケージ上面中心温度が判れば精度良く[1] JESD51-1:1995, Integrated Circuits Thermal Measurement

ジャンクション温度を見積もることができます。

Method – Electrical Test Method (Single SemiconductorDevice)

𝑇𝐽 = 𝑇𝑇 + 𝛹𝐽𝑇 × 𝑃 [℃](1)

𝑇𝑇 ：パッケージ上面中心温度 [℃]𝛹𝐽𝑇 ：ジャンクションからパッケージ上面中心までの熱特性パラメータ [℃/𝑊]
𝑃：デバイスの消費電力 [𝑊]ΨJT の測定では Figure 4 に示すように主に発熱源のボディーダイオードを利用し、このダイオードをセンシング用とΨJT 測定時の発熱源の両方に使用しています。測定は専用の測定機器を使用し、ボディーダイオードへの発熱とセンシングを高速に切り換えることで実現しています。

機器動作時の発熱源

センシングダイオード

Ψ JT 測定時の発熱源

Figure 4. ΨJT 測定時のセンシングダイオードと発熱源© 2020 ROHM Co., Ltd.

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付録 Aチップ内の pn 接合の順方向電圧を用いたジャンクション温度見積もり方法
pn 接合の順方向電圧の温度特性が概ね-2mV/℃で変化すること800を利用して、デバイス内に存在する pn 接合の温度特性を予め測定

700

順方向電圧 VF [mV]する事でジャンクション温度を推定することができます。測定する pn 接合はデバイスのピンからアクセスすることが可能なダイオード素子を使用し、これをセンシングダイオードとします。
測定回路を Figure A-1 に示します。センシングダイオードに電流を印加し順方向電圧を測定します。発熱源のデバイスは恒温槽に入れ周IF=1mA

600
500
400300200

囲温度を 25℃からデバイス の 最大ジャンクション温度（例 え ば100150℃）まで変化させ、各温度での順方向電圧を測定します。周囲025

温度を変化したとき、周囲環境からチップ（ジャンクション）へ熱が伝わるのに時間が掛かるため、順方向電圧が安定するまで時間を置きま

5075100125
周囲温度 TA [℃]150Figure A-2. デバイス内に存在するダイオード素子のす。この測定は周囲温度とジャンクション温度が同じであるという仮定

順方向電圧温度特性の一例を前提にしています。

K ファクタが得られたらデバイスを実動作しながらセンシングダイオードの発熱源デバイス順方向電圧を測定します。順方向電圧からジャンクション温度は式

定電流(A-2)で算出することができます。
𝑇𝐽 = |𝑉𝐹 − 𝑉𝐿𝑜 | × 𝐾 + 𝑇𝐿𝑜
ここで、センシングダイオード(A − 2)𝑉𝐹 : 順方向電圧 [𝑚𝑉]𝑉𝐿𝑜 : 𝐾ファクタを測定したときの低温時の電圧 [𝑚𝑉]
𝐾: 𝐾ファクタ [℃/𝑚𝑉]

Figure A-1. 発熱源デバイス内にあるダイオード素子の𝑇𝐿𝑜 : 𝐾ファクタを測定したときの低温 [℃]

順方向電圧測定回路
測定結果の一例を Figure A-2 に示します。素子の寸法や材料が違うと多少特性は変わりますが、温度特性は概ね-2mV/℃の一次関数グラフを示しています。この傾きを K ファクタと呼び、式(A-1)で表現できます。

𝐾=|𝑇𝐻𝑖 ー𝑇𝐿𝑜
𝑉𝐻𝑖 − 𝑉𝐿𝑜

ここで、

| × 1000 [℃/𝑚𝑉](𝐴 − 1)

𝑇𝐻𝑖 : 高温（𝑇𝐿𝑜 より 50°𝐶以上高いこと） [℃]
𝑇𝐿𝑜 : 低温（25 または 27） [℃]
𝑉𝐻𝑖 : 高温時の電圧 [𝑚𝑉]𝑉𝐿𝑜 : 低温時の電圧 [𝑚𝑉]

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万が一、本製品が故障・誤作動した場合であっても、その影響により人身事故、火災損害等が起こらない
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