功率器件熱阻的測(cè)量研究分析

滕為榮 ，居長(zhǎng)朝

（1. 蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院微電子學(xué)系，蘇州 215021；2. 快捷半導(dǎo)體（蘇州）有限公司，蘇州 215021）

1 前言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)日新月異的發(fā)展，越來(lái)越高的芯片性能和集成度也帶來(lái)了一個(gè)不可回避的問(wèn)題，這就是散熱。根據(jù)源自一份美國(guó)航空電子的失效分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近55%的電子器件失效是和溫度相關(guān)，由此可見(jiàn)熱控制的重要性。

在通常條件下，超過(guò)165℃時(shí)封裝的環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)始碳化，同時(shí)發(fā)生釋氣，即某些材料中捕捉、冷凍或者吸附的氣體開(kāi)始緩慢釋放。在低電平條件下，這種釋氣可以影響芯片的運(yùn)行功能，因?yàn)樗o芯片增加了離子和表面效應(yīng)。連接線可能會(huì)傳輸過(guò)高的電流，也會(huì)造成塑模材料的碳化，甚至使連接線熔化。荷蘭化學(xué)家Jacobus H Van’t Hoff 于1884率先提出Arrhenius方程，而瑞典化學(xué)家Svante Arrhenius則在五年后對(duì)其做出了物理驗(yàn)證和解釋。

圖1 電子器件失效主要因素分析[1]

K= Ae(-Ea/RT)；

K: 速率系數(shù)；

A: 常量；

Ea: 活化能量；

R: 普適氣體常數(shù)；

T: 以k為單位的溫度。

Arrhenius方程起初用于化學(xué)反應(yīng)，描述化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的增加而加快，同樣此方程也被用來(lái)描述電子器件在高溫下的壽命縮短。方程表明，隨著溫度的升高，電子器件的使用壽命下降，失效率急劇提升，所以在集成電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，如何測(cè)量器件的散熱能力、如何散熱都是至關(guān)重要的問(wèn)題。

圖2 結(jié)溫和失效率的關(guān)系曲線[1]

2 結(jié)溫與熱阻

以功率器件為例，器件在應(yīng)用時(shí)受到的熱應(yīng)力可能來(lái)自內(nèi)部，也可能來(lái)自外部。器件工作是所消耗的功率需以熱能的形式散發(fā)出去。表征功率器件熱能力的參數(shù)有結(jié)溫和熱阻。所謂結(jié)溫即為器件有源區(qū)的溫度，其符號(hào)為T(mén)j。

熱阻用來(lái)表征器件散熱的能力，即熱傳導(dǎo)路徑上的阻力，表示熱傳導(dǎo)過(guò)程中每散發(fā)1W的功率熱量，熱路兩端需要的溫度之差，其符號(hào)為Rthjx。

T1：熱傳導(dǎo)中溫度高的一側(cè)溫度；T2：熱傳導(dǎo)中溫度低的一側(cè)溫度；Q：熱傳導(dǎo)過(guò)程中散發(fā)的熱量。

對(duì)于功率器件，根據(jù)散熱機(jī)制的不同，大致可以將熱傳導(dǎo)分為接觸熱傳導(dǎo)、熱輻射、對(duì)流熱傳導(dǎo)等。

可以推導(dǎo)出以下公式：

其中，H為散熱板厚度（m），A為接觸面積（m2），K為熱傳導(dǎo)率（W/m℃），h為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/m2℃），ε為表面熱發(fā)射率，σ= 5.669×10-8W/m2K4（常數(shù)）。

在器件的實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，將主要通過(guò)熱接觸方式散熱的熱阻稱為Rthjc（Junction-to-case），而將以通過(guò)向周圍環(huán)境進(jìn)行熱輻射和熱對(duì)流方式為主要散熱方式的熱阻稱為Rthja（Juntion-to-Ambience）。如圖4所示。

圖3 熱傳導(dǎo)示意圖

圖4 散熱方式示意圖

3 熱阻的測(cè)量

目前半導(dǎo)體器件工作溫度和熱阻的測(cè)試方法主要有紅外熱像儀法、電學(xué)參數(shù)法、光譜法、光功率法等。本文研究?jī)?nèi)容的原理基于電學(xué)測(cè)量方法，以TO-220系列封裝產(chǎn)品為例，分析測(cè)量功率器件最主要的兩種參數(shù)Rthja和Rthjc。其中Rthja為器件結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻，表征器件向環(huán)境散熱的能力，Rthjc為器件結(jié)點(diǎn)到散熱板的熱阻。

3.1 結(jié)溫的校驗(yàn)測(cè)試

器件結(jié)溫的校驗(yàn)測(cè)試是用來(lái)收集在已知結(jié)溫條件下的器件特征參數(shù)，最終得到一份結(jié)溫和器件特征參數(shù)的關(guān)系曲線。此項(xiàng)校驗(yàn)測(cè)試是進(jìn)行熱阻測(cè)試前的準(zhǔn)備條件。具體測(cè)試方法為將器件浸在一個(gè)裝有油的容器中，容器通過(guò)加熱使油達(dá)到一定的溫度，在溫度穩(wěn)定情況下可以認(rèn)為結(jié)溫等于環(huán)境溫度。在溫度上升的同時(shí)，通過(guò)使柵極短路、源漏極間加電流測(cè)電壓的方法在此條件下測(cè)試器件的特征參數(shù)（Vds），如圖5所示。

圖5 器件的特征參數(shù)和結(jié)溫的關(guān)系校驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)一系列的測(cè)試，我們可以發(fā)現(xiàn)器件結(jié)溫升值和源漏間電壓的變化量存在很好的線性關(guān)系，即有：

其中，K為比例系數(shù)，為常量，其單位為℃/V。

器件的不同可能導(dǎo)致曲線的差異，這是由器件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝等很多因素決定的，反應(yīng)器件的基本特性，如圖6所示，測(cè)試結(jié)果可能是線性也可能是非線性，取決于器件本身。對(duì)于非線性的測(cè)試結(jié)果，越多的測(cè)試點(diǎn)意味著更加準(zhǔn)確的圖形，也為后續(xù)的測(cè)試結(jié)果提供相對(duì)更加準(zhǔn)確的參考值。

圖6 特征參數(shù)和結(jié)溫的關(guān)系曲線

3.2 Rthjc和Rthja的測(cè)試

如圖7所示，對(duì)于Rthjc的測(cè)試，室溫條件下將TO-220器件平放在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的銅材散熱板上，此時(shí)Tc=25℃。而對(duì)于Rthja的測(cè)試，如圖8所示是將器件插立在設(shè)計(jì)好的PCB板上，散熱主要是通過(guò)器件本身向周圍環(huán)境的熱輻射完成，室溫條件下Ta=25℃。

圖7 Rthjc的測(cè)試方式

圖8 Rthja的測(cè)試方式

Rthjc和Rthja測(cè)試的共同點(diǎn)是，對(duì)器件加熱采用的方法是通過(guò)功率輸出設(shè)備將特定功率的信號(hào)加到器件上（PDM），使器件加熱升溫。通常為了便于計(jì)算輸出功率，使用的信號(hào)為脈沖信號(hào)，如圖9。

圖 9 加熱信號(hào)以及測(cè)試采樣示意圖

在額定功率的信號(hào)加到器件后，每個(gè)周期采集采樣信號(hào)的值，采樣信號(hào)達(dá)到平衡以后的值（Vds）表征為器件在加上特定功率的熱量后散熱功能達(dá)到平衡時(shí)的特征參數(shù)。根據(jù)之前的結(jié)溫校驗(yàn)測(cè)試曲線，可以得到相應(yīng)的結(jié)溫（Tjmax）。此時(shí)我們可以計(jì)算出最終的熱阻值：

4 熱阻的研究

4.1 Rthja熱阻測(cè)試與方波信號(hào)的關(guān)系

如前一節(jié)所示，器件加熱使用的是脈沖信號(hào)。下面進(jìn)一步研究在脈沖信號(hào)中其他因素對(duì)于Rthja熱阻測(cè)試的影響。

如圖10所示，t1表示方波信號(hào)的脈沖寬度，t2為周期長(zhǎng)度，D=t1/t2為占空比。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在不同的占空比下，不同的脈沖寬度所得到的熱阻特征曲線有所不同。如圖11所示，縱坐標(biāo)為不同條件下的熱阻相對(duì)于穩(wěn)定條件下的熱阻歸一化的數(shù)值。

圖10 測(cè)試方波信號(hào)

圖11 脈沖寬度-熱阻特征曲線

實(shí)驗(yàn)選取了七種不同占空比（2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%）的方波測(cè)試條件，對(duì)熱阻進(jìn)行了測(cè)試及總結(jié)，得到了圖11的特征曲線。由此可見(jiàn)，在相同的脈沖寬度下，較大的占空比由于脈沖周期比較短而且加熱時(shí)間比較長(zhǎng)，測(cè)試得到的熱阻值相對(duì)較大。在脈沖寬度t1足夠長(zhǎng)的時(shí)候，則測(cè)試結(jié)果不受占空比的影響，得到的熱阻值等于穩(wěn)定條件下的熱阻值，歸一化值為1。

除了脈沖寬度的影響，不同占空比條件、不同周期長(zhǎng)度時(shí)間下的熱阻曲線也有所不同。

如圖12所示，實(shí)驗(yàn)同樣選取占空比分別為2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%條件，相同周期時(shí)間時(shí)，因較高占空比的信號(hào)所加能量也相應(yīng)較高，所以最終得到的熱阻值也較高。對(duì)于占空比比較低的信號(hào)，到達(dá)最終平衡所用的時(shí)間也比占空比高的信號(hào)要長(zhǎng)。

圖12 周期長(zhǎng)度時(shí)間-熱阻值特征曲線

4.2 Rthja熱阻測(cè)試與周圍環(huán)境的關(guān)系

在對(duì)Rthja的研究中發(fā)現(xiàn)，周圍環(huán)境中風(fēng)速的變化同樣對(duì)測(cè)試結(jié)果有顯著的影響。如圖13所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同的空氣流通速度，從0ft/min至600ft/min，測(cè)試不同風(fēng)速條件下的值，可以發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)速的上升，由于增加了熱對(duì)流，就相當(dāng)于并聯(lián)了一個(gè)熱阻RCONV，使得最終的熱阻值下降。隨著風(fēng)速的增加，RCONV也隨之減小，并聯(lián)后的熱阻值也隨之下降。

其中，R’thja為風(fēng)速為零條件下時(shí)的Rthja值。

圖13 Rthja熱阻與環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系曲線

4.3 Rthjc與芯片實(shí)際尺寸之間的關(guān)系

在上文提到，Rthjc為通過(guò)熱接觸的方式散熱（junction-to-case）的能力。因此在相同的測(cè)試條件下，在同一封裝條件中，芯片的尺寸大小就是決定散熱能力的重要因素。因此Rthjc與芯片尺寸之間關(guān)系的研究就很有意義。

此研究中以PQFN56封裝條件為例，通過(guò)試驗(yàn)采集不同尺寸芯片的Rthjc值，可以得到如圖14所示的曲線。

圖 14 芯片尺寸與熱阻值Rthjc關(guān)系圖

通過(guò)這個(gè)曲線我們可以發(fā)現(xiàn)，芯片尺寸越小，Rthjc值越大，這是因?yàn)檩^小的尺寸將使得芯片散熱面積減少，即便封裝條件相同也會(huì)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)能力下降，從而導(dǎo)致Rthjc值增加。而隨著芯片尺寸的持續(xù)增大（因受到封裝尺寸的制約，即無(wú)限接近適合design rule的最大值），Rthjc值在減少但是趨于平緩。這是因?yàn)樵谀撤N特定的封裝形式下，此時(shí)熱阻將主要受到封裝條件的影響，諸如散熱片的尺寸大小、封裝材質(zhì)的熱傳導(dǎo)率等，而芯片的影響趨于次要。

通過(guò)對(duì)芯片尺寸與Rthjc之間關(guān)系的研究，可以大致推出已知封裝條件、已知芯片尺寸功率器件的Rthjc值。這對(duì)于評(píng)估功率器件所能承受的最大電流有著非常重要的作用。

根據(jù)公式（1），我們可以推導(dǎo)得到：

其中T1為器件所能承受的最高溫度，T2為測(cè)試環(huán)境溫度，Rdson為MOSFET器件在開(kāi)啟條件下的漏源極間電阻，最終計(jì)算出來(lái)的結(jié)果I即為此芯片在額定最高溫度下所能承受的最高電流。所以根據(jù)此曲線和關(guān)系圖，可以大致預(yù)估一個(gè)器件的Rthjc值，對(duì)于評(píng)估器件能力有重要的作用。

5 結(jié)論

在集成電路設(shè)計(jì)制造中，熱阻的重要性顯得尤為重要，器件的散熱能力是考量器件能力的重要一環(huán)。

通過(guò)對(duì)功率器件的熱阻研究，我們發(fā)現(xiàn)很多因素和熱阻的能力相關(guān)。器件加熱的方式不同可能導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程和結(jié)果的差異。在測(cè)試中可以看到外部環(huán)境中風(fēng)速的增加會(huì)使熱阻下降，這是由于熱對(duì)流產(chǎn)生的熱交換。除此之外，其他因素也還可能導(dǎo)致熱阻的差異，諸如芯片的尺寸、不同熱導(dǎo)率的EMC材料等等。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)芯片和Rthjc值之間的關(guān)系圖，對(duì)于預(yù)估一個(gè)新器件的Rthjc值及評(píng)估器件的能力（最大承受電流等）有重大意義。

致謝：

感謝快捷半導(dǎo)體產(chǎn)品工程部胡志平、呂亞飛對(duì)本研究提供的幫助和建議，感謝快捷半導(dǎo)體特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論。

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