基于結(jié)構(gòu)函數(shù)的功率MOSFET 器件熱阻研究

肖 超，王立新

(中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)功率半導(dǎo)體器件的性能和集成度要求越來(lái)越高。這必然會(huì)帶來(lái)一個(gè)不可忽視的問(wèn)題:散熱。如何將器件產(chǎn)生的熱量更好的散發(fā)出去，衡量功率器件本身散熱能力好壞的熱阻參數(shù)將變得非常重要。對(duì)于功率MOSFET器件，較小的器件熱阻變得越來(lái)越關(guān)鍵，并且對(duì)半導(dǎo)體制造商來(lái)說(shuō)小的熱阻意味著強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［1］。而那些工作在熱安全工作區(qū)域附近的器件來(lái)說(shuō)，僅僅給出器件熱阻的上限值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足充分利用安全工作區(qū)域的要求［2］。因此，準(zhǔn)確測(cè)試、分析功率MOSFET 器件熱阻具有重要意義。

在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，熱阻的常用測(cè)試方法有紅外掃描成像法和傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)試法［3］。紅外掃描成像法能夠精確獲得芯片的溫度分布和熱阻參數(shù)，但是其設(shè)備復(fù)雜、成本高，并且是破壞性測(cè)試方法。傳統(tǒng)電學(xué)法是將待測(cè)器件(DUT)放在恒溫平臺(tái)上，并在器件和恒溫平臺(tái)之間涂上導(dǎo)熱硅脂使得熱偶和管殼接觸更充分，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)電學(xué)法測(cè)熱阻示意圖

傳統(tǒng)電學(xué)法通常是測(cè)量器件的敏感參數(shù)(功率MOSFET 內(nèi)部寄生二極管)獲得結(jié)溫Tj，用熱電偶測(cè)試器件殼溫Tc，從而間接獲得器件的瞬態(tài)熱阻參數(shù)，其測(cè)試方法簡(jiǎn)單，效率高、成本低，并且是非破壞性測(cè)試方法。但熱傳導(dǎo)過(guò)程中功率MOSFET 器件的殼溫分布不均勻，熱電偶直接測(cè)試殼溫只能獲得局部某點(diǎn)的溫度，這會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。Péter Szabó 等人通過(guò)SUNRED模擬［4］，發(fā)現(xiàn)管殼溫度分布并不均勻，這會(huì)導(dǎo)致比實(shí)際的熱阻值偏差達(dá)30%以上［5］。Oliver Steffens 等人的實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，即使前后兩次實(shí)驗(yàn)器件在恒溫平臺(tái)的位置不完全一致時(shí)，兩次熱阻值的差別可達(dá)15%左右［6］。因此，傳統(tǒng)電學(xué)法在精度和一致性方面都較差。本文通過(guò)構(gòu)造器件與恒溫平臺(tái)之間不同的接觸界面，利用結(jié)構(gòu)函數(shù)來(lái)獲得功率MOSFET器件的結(jié)殼熱阻，避免了傳統(tǒng)電學(xué)法中直接測(cè)試器件殼溫而獲得結(jié)殼熱阻所帶來(lái)的誤差。

對(duì)于封裝半導(dǎo)體器件熱阻的分析，V.Szekely 等人首先利用結(jié)構(gòu)函數(shù)理論對(duì)晶體管的熱阻特性進(jìn)行了分析［7］，通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形，方便地獲得了晶體管的結(jié)構(gòu)信息。高玉琳等采用結(jié)構(gòu)函數(shù)的方法，對(duì)功率LED 器件帶不同二次散熱板的熱阻分布進(jìn)行了研究［8］。莊鵬等應(yīng)用結(jié)構(gòu)函數(shù)，確定了功率LED器件各組成部分的的幾何尺寸和熱阻［9］。利用結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)功率MOSFET 器件熱阻特性進(jìn)行分析，在同類文獻(xiàn)中還很少見(jiàn)。

本文利用結(jié)構(gòu)函數(shù)，通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)條件獲得積分結(jié)構(gòu)函數(shù)的分離點(diǎn)來(lái)確定MOSFET 器件結(jié)殼熱阻，該方法與FE 建模仿真符合較好。同時(shí)，對(duì)不同批次同類型的MOSFET 器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)微分結(jié)構(gòu)函數(shù)峰值的偏移來(lái)判斷不同批次工藝的好壞，并利用超聲波掃描(SAM)來(lái)證明兩批封裝器件在工藝上的差別。

1 實(shí)驗(yàn)理論與過(guò)程

1.1 結(jié)構(gòu)函數(shù)理論

V.Szekely 等提出了結(jié)構(gòu)函數(shù)理論模型［10－12］。結(jié)構(gòu)函數(shù)是通過(guò)對(duì)待測(cè)器件的瞬態(tài)熱阻曲線a(t)經(jīng)過(guò)式(1)坐標(biāo)變換，得到對(duì)數(shù)時(shí)間坐標(biāo)系中的響應(yīng)變量a(z):

根據(jù)物理定義:

以上各式中，R(z)稱為時(shí)間常數(shù)譜，?為卷積運(yùn)算，c為單位體積熱容，λ為熱導(dǎo)率，A為熱流通過(guò)的橫截面積，C和R 稱為熱傳導(dǎo)路徑上節(jié)點(diǎn)兩端的熱容和熱阻，CΣ和RΣ為C和R 的累加值。將式(4)或式(5)在坐標(biāo)系中表示出來(lái)就可獲得結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形。

結(jié)合式(5)，就可以推斷出:微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中波峰位置對(duì)應(yīng)于熱導(dǎo)率高的材料層，波谷位置對(duì)應(yīng)于熱導(dǎo)率低的材料層。因此，在積分結(jié)構(gòu)函數(shù)或微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，曲線變化的區(qū)域表示熱流經(jīng)過(guò)了不同的材料層界面或者相交橫截面尺寸面積不同，由此可以利用積分或微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中的拐點(diǎn)位置判斷出不同材料層的熱阻。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Phase11 熱阻測(cè)試儀，以表征熱問(wèn)題的關(guān)鍵參數(shù)熱阻為基礎(chǔ)。將熱偶置于冷卻水管或恒溫平臺(tái)上，使其保持恒定溫度不變。第1次測(cè)試是在DUT(待測(cè)MOSFET 器件)與恒溫平臺(tái)之間沒(méi)有任何導(dǎo)熱材料的條件下測(cè)試積分結(jié)構(gòu)曲線(圖2(a))，第2 次測(cè)試要求在DUT 與恒溫平臺(tái)之間涂一薄層導(dǎo)熱硅脂，如示意圖2 (b)。功率MOSFET 有關(guān)信息如表1所示。

圖2 本文提出的測(cè)試示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件與信息

另外，還選取了芯片和封裝相同而批次不同的器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，封裝器件和恒溫平臺(tái)之間都涂上導(dǎo)熱硅脂(如圖2(b)所示)。實(shí)驗(yàn)樣品均為某種類型的功率MOSFET，只是生產(chǎn)批次不一樣。器件詳細(xì)信息如下表2。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件與信息

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析

2.1 同一器件涂導(dǎo)熱硅脂與不涂導(dǎo)熱硅脂測(cè)試

我們依據(jù)不同的接觸界面(如圖2所示)測(cè)試了型號(hào)為A304 封裝形式為SMD－2 的功率MOSFET器件瞬態(tài)結(jié)溫，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中并沒(méi)有測(cè)試管殼任何一點(diǎn)的溫度。兩種情況下各測(cè)試了3 次，獲得的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)如圖3所示。

圖3 積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線

在圖3 中，器件管殼和恒溫平臺(tái)在不同的接觸條件下(涂和不涂導(dǎo)熱硅脂)分別測(cè)試3 次，熱阻小的3條曲線是涂了導(dǎo)熱硅脂的測(cè)試結(jié)果(圖3 左邊3 條曲線)，熱阻大的3 條曲線是沒(méi)有涂導(dǎo)熱硅脂的測(cè)試結(jié)果(圖3 右邊3 條曲線)，獲得的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)被放在同一圖中。在某一接觸條件下(如涂導(dǎo)熱硅脂)，3 次測(cè)試的曲線差別小于2%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)試的一致性比較好。比較兩種情況下的積分結(jié)構(gòu)曲線，管殼和恒溫平臺(tái)直接接觸所測(cè)熱阻要比接觸界面涂導(dǎo)熱硅脂所獲熱阻大2倍之多。兩種不同情下積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線在0.5K/W 以前符合很好，這進(jìn)一步說(shuō)明該測(cè)試技術(shù)重復(fù)性好，測(cè)試條件的不同(涂和不涂導(dǎo)熱硅脂等)并沒(méi)有對(duì)測(cè)試的一致性產(chǎn)生較大的影響。

因?yàn)榉e分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線體現(xiàn)的是器件芯片到恒溫平臺(tái)導(dǎo)熱路徑上的結(jié)構(gòu)信息，兩種情況下芯片到管殼的導(dǎo)熱路徑是完全相同的，不同之處在于管殼到恒溫平臺(tái)之間的導(dǎo)熱路徑，因此可以通過(guò)積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線開(kāi)始發(fā)生分離的點(diǎn)來(lái)判斷管殼位置，所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為器件的結(jié)殼穩(wěn)態(tài)熱阻，熱阻值為0.5 K/W(如圖3所示)。

圖4 中，建立了MOSFET 器件通過(guò)導(dǎo)熱硅脂接觸恒溫平臺(tái)的簡(jiǎn)單FE模型(有限元模型)，管殼與恒溫平臺(tái)之間涂上導(dǎo)熱硅脂。芯片產(chǎn)生的熱流沿一維方向傳導(dǎo)到恒溫平臺(tái)，芯片加熱功率為55W，恒溫平臺(tái)固定為18℃。建模所用材料參數(shù)見(jiàn)表3所示。

圖4 一維簡(jiǎn)單FM模型

表3 一維FM模型參數(shù)

圖5為Ansys 仿真獲得的溫度云圖。芯片處溫度最高為87℃，管殼溫度為63℃。FE 仿真獲得的熱阻值為0.44 K/W，與實(shí)驗(yàn)方法獲得的0.5 K/W符合較好。

圖5 Ansys 仿真溫度云圖

2.2 芯片、封裝形式相同而封裝批次不同

該組實(shí)驗(yàn)采用D005和D015 兩種不同批次的功率器件為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)獲得的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)如圖6所示。

圖6 微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線

圖6 中，對(duì)比了不同批次功率器件的微分結(jié)構(gòu)曲線。根據(jù)結(jié)構(gòu)函數(shù)理論，曲線上波峰對(duì)應(yīng)于高導(dǎo)熱率材料層(如芯片或熱沉)，波谷區(qū)域?qū)?yīng)的是導(dǎo)熱率低的結(jié)構(gòu)層(如焊料層或空氣)。如圖6所示，兩批次功率器件芯片熱阻都為0.1 K/W，這與兩批次器件所用芯片相同有關(guān)。曲線上兩波峰之間的區(qū)域?yàn)閷?dǎo)熱率低的焊料層，所對(duì)應(yīng)的熱阻分別為0.2 K/W和0.4 K/W，兩條曲線的差別在于D015 曲線的第二個(gè)波峰向右發(fā)生了偏移，使得整個(gè)器件熱阻變大。

微分結(jié)構(gòu)函數(shù)波峰的偏移可以用來(lái)表征封裝器件內(nèi)部工藝的差別與好壞，這可以用超聲波掃描(SAM)來(lái)證明。對(duì)D005和D015 兩種封裝器件進(jìn)行超聲波掃描(SAM)。獲得的結(jié)果如圖7所示。

圖7 D005和D015 封裝器件SAM 圖形

圖7 右邊D015 圖中白色氣泡為焊料層空洞，明顯比左圖D005 多，且空洞面積占整個(gè)焊料層面積較大，從而引起熱阻值加大。因此，可以從結(jié)構(gòu)函數(shù)峰值的偏移來(lái)判斷封裝工藝的好壞，為器件篩選提供可靠、準(zhǔn)確的依據(jù)。在器件優(yōu)化設(shè)計(jì)上，應(yīng)該選擇合適的封裝工藝，盡量減少焊料層空洞的形成，才能減小焊料層熱阻，從而減小整個(gè)封裝器件的熱阻值。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)函數(shù)(包括積分與微分結(jié)構(gòu)函數(shù))作為一種新型的分析封裝半導(dǎo)體功率器件熱特性的方法，可以很方便的獲得熱傳導(dǎo)路徑上不同材料層的熱阻。本文利用 Phase11 熱阻測(cè)試儀，在功率MOSFET 器件管殼與恒溫平臺(tái)之間涂導(dǎo)熱硅脂和不涂導(dǎo)熱硅脂，前后兩次測(cè)試同一器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)，兩次的熱傳導(dǎo)路徑僅在管殼和恒溫平臺(tái)之間有差異，表現(xiàn)在積分結(jié)構(gòu)函數(shù)上為兩條曲線的分離，該分離點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的熱阻值就為整個(gè)器件的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻。并將該熱阻值與FE 仿真結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果符合較好。對(duì)比不同批次器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，可以通過(guò)微分結(jié)構(gòu)函數(shù)峰值的偏移來(lái)判斷封裝器件內(nèi)部工藝的好壞。進(jìn)一步的超聲波掃描發(fā)現(xiàn)，焊料層內(nèi)部大面積的空洞引起了微分結(jié)構(gòu)函數(shù)峰值的偏移。因此，可以通過(guò)微分結(jié)構(gòu)函數(shù)峰值的偏移來(lái)篩選器件，為封裝工藝判斷提供方便、準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

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