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    功率VDMOS 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試的關(guān)鍵影響因素

    2013-12-22 06:05:34董晨曦王立新
    電子器件 2013年2期
    關(guān)鍵詞:結(jié)溫熱阻阻值

    董晨曦,王立新

    (中國科學(xué)院微電子研究所,北京100029)

    盡管功率VDMOS 器件具有高輸入阻抗、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好諸多優(yōu)點(diǎn)[1],但作為功率器件,其最大耗散功率仍受器件熱阻抗的限制。因此,如何準(zhǔn)確的評(píng)估器件熱性能的優(yōu)劣就顯得非常必要了,而熱阻值就是衡量器件熱性能好壞的重要參數(shù)。目前常用的熱阻測(cè)試方法有紅外掃描成像法[2]和標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法[3]。紅外掃描成像法是通過測(cè)量器件工作時(shí)芯片表面的紅外輻射并給出芯片表面的二維溫度分布,來表征結(jié)溫及其分布。但這種方法需要對(duì)器件進(jìn)行開帽處理,易對(duì)器件造成永久性破壞;而標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法采用瞬態(tài)熱學(xué)測(cè)量[5-6],從瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線中解析出包含熱阻、熱容的結(jié)構(gòu)函數(shù),得到封裝器件內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層的熱阻值[7-8],如芯片、焊料層、管殼等部位[9],以此判斷器件熱性能的好壞。此法靈敏度高、測(cè)量迅速,且不易對(duì)器件造成破壞,但是測(cè)量過程中引入的誤差較多。本文將詳細(xì)論述電學(xué)法測(cè)量過程中引入誤差的主要環(huán)節(jié),并提出得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量值的方法。

    1 功率VDMOS 熱阻測(cè)試原理

    熱阻定義是:熱平衡條件下,沿器件熱流通道上的溫度差與產(chǎn)生溫差的耗散功率之比[10](單位℃/W或K/W)。

    式中,Tj表示結(jié)溫,Tc表示管殼溫度,Ta表示環(huán)境溫度,P 是耗散功率。

    功率VDMOS 是利用源-漏間寄生PN 結(jié)二極管Dsd[11]作為溫敏元件進(jìn)行測(cè)量的,如圖1 所示。

    圖1 n 溝VDMOS 結(jié)構(gòu)圖和電路符號(hào)

    小電流條件下,半導(dǎo)體PN 結(jié)結(jié)溫變化ΔTj與正向結(jié)電壓變化ΔVf呈良好的線性關(guān)系[12-13],用溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 來表示。滿足關(guān)系式:

    施加功率PH后引起結(jié)溫的變化ΔTj,有關(guān)系式:

    式中,Tj0為施加功率前的初始結(jié)溫,初始熱平衡條件下即為殼溫Tc。將式(2)和式(3)代入式(1),并利用關(guān)系式Tj0=Tc,可得熱阻的計(jì)算公式:

    可見,器件穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試主要是溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 以及結(jié)壓降ΔVf的測(cè)定。

    2 熱阻測(cè)試中的誤差因素

    器件熱阻值主要取決于其物理結(jié)構(gòu)及材質(zhì)選擇,但測(cè)試過程中很多因素都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。因此,為了保證測(cè)試結(jié)果的精確可靠,必須綜合考慮到測(cè)試誤差的各個(gè)來源并采取相應(yīng)的校對(duì)方法。測(cè)試誤差的主要來源包括:①測(cè)試電流Im;②溫度校準(zhǔn)系數(shù)K;③測(cè)試延遲時(shí)間Td;④殼溫Tc的控制;⑤參考結(jié)溫Tj的選取;⑥功率加熱時(shí)間Tp;⑦脈沖方波信號(hào)選取。

    2.1 測(cè)試電流Im 的選取

    測(cè)量溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 之前,首先需要選取合適的測(cè)試電流Im,其值不能過大導(dǎo)致芯片產(chǎn)生自熱效應(yīng),也不能小到無法導(dǎo)通而不能獲取正常的測(cè)試取點(diǎn)。可根據(jù)器件的伏安特性曲線來選取,通常會(huì)選擇伏安特性曲線中正向電流開始明顯增大的拐點(diǎn)處附近的值作為Im。不同類型器件的Im是不相同的,李祖華[14]的研究表明GaAs 功率MESFET 的Im為0.1 mA ~1 mA,馬春雷[15]等人發(fā)現(xiàn)功率型LED 的Im在5 mA 左右。對(duì)于不同芯片參數(shù)的功率VDMOS 器件來說,通常選取的測(cè)試電流是1 mA ~10 mA,合理地根據(jù)器件的電學(xué)參數(shù)找到合適的測(cè)試電流是實(shí)現(xiàn)熱阻精確測(cè)量的重要保證。

    2.2 溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 的測(cè)量

    溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 是反應(yīng)器件正向電壓熱敏感程度的重要參數(shù),K 值測(cè)量的關(guān)鍵在于溫度的精確控制。黃月強(qiáng)[16]、肖煒[17]、馬春雷[15]等人都在自己的研究中強(qiáng)調(diào)了溫度系數(shù)精確測(cè)量的重要性,并采用了較為常見的恒溫箱控溫法,但該法采用熱導(dǎo)率很低的空氣作為傳熱媒介,傳熱速度慢,一般要20 min ~30 min 才能實(shí)現(xiàn)單個(gè)溫度點(diǎn)的平衡,而實(shí)驗(yàn)通常需要采集多個(gè)溫度點(diǎn),故測(cè)試效率低;且控溫范圍較窄(30 ℃~120 ℃),控溫精度偏低(±1 ℃),測(cè)量過程中氣流的局部微小波動(dòng)也可能會(huì)影響到實(shí)際溫度的精確測(cè)量。因此,這里采用了一種新型的測(cè)量裝置。

    圖2 是實(shí)驗(yàn)中用到的溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 的測(cè)量裝置(也稱油浴加熱裝置),該裝置具有以下幾點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì):

    (1)由集成在熱阻分析儀中的模塊直接進(jìn)行溫度控制,整個(gè)測(cè)試過程由電腦自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采點(diǎn)和擬合。

    (2)校準(zhǔn)鍋內(nèi)采用高熱導(dǎo)率且絕緣良好的液態(tài)礦物油作為傳熱媒介給器件加熱和散熱,傳熱速度快,對(duì)環(huán)境無害并能重復(fù)使用。

    (3)鍋底帶有陶瓷鍍層的磁力攪拌器保證了油溫的均勻分布。

    (4)帶有冷卻風(fēng)扇的堅(jiān)固底盤能夠很好的控制升溫速率并保證安全性。

    (5)儀器上部的懸掛結(jié)構(gòu)保證了校準(zhǔn)器件被牢牢的固定在油浴中。

    (6)控溫范圍較大,通常為20 ℃~300 ℃,控溫精度較高(±0.2 ℃)。

    圖2 溫度校準(zhǔn)系數(shù)測(cè)試裝置

    實(shí)驗(yàn)中將器件的柵-漏短接,源-漏分別接正負(fù)電極(N 型),放入充滿硅油的校準(zhǔn)鍋內(nèi),通以測(cè)試電流Im,加熱油鍋至要求的溫度(125 ℃),整個(gè)測(cè)試過程器件與油浴環(huán)境始終處于熱平衡狀態(tài),因而可以通過熱電偶測(cè)量油溫作為器件的結(jié)溫,之后讓油鍋?zhàn)匀焕鋮s,并且每5 ℃讀取一次器件兩端的電壓值,便可以利用正向壓降與溫度的良好線性關(guān)系[18]得到溫度校準(zhǔn)系數(shù)K,如圖3 所示。

    圖3 溫度校準(zhǔn)曲線

    該油浴加熱裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精確控制,較多的測(cè)試采點(diǎn)也保證了圖形的精確可靠,測(cè)試效率較恒溫箱也有了很大程度的提升,為后續(xù)的熱阻測(cè)試提供了相對(duì)準(zhǔn)確的溫度校準(zhǔn)系數(shù)K。

    2.3 延遲時(shí)間Td

    結(jié)壓降ΔVf是計(jì)算熱阻的關(guān)鍵參數(shù),實(shí)驗(yàn)中按照J(rèn)ESD51 標(biāo)準(zhǔn)[19],采用快速脈沖技術(shù),在器件正常工作狀態(tài)(加熱)下開一個(gè)非常短的去掉工作電壓和電流的測(cè)試窗口,快速測(cè)量結(jié)電壓Vf,測(cè)試電路如圖4 所示。

    圖4 測(cè)試電路

    測(cè)試步驟:

    ①將電子開關(guān)置于1,給定加熱電壓VH(由器件電學(xué)參數(shù)確定),使加熱電流IH1通過待測(cè)器件直至器件達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后,迅速將開關(guān)置于2,在測(cè)試電流IM下測(cè)定此時(shí)的正向壓降Vf1。

    ②將開關(guān)重新?lián)苤?,在同樣的加熱電壓下,使加熱電流IH2通過待測(cè)器件直至器件達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后,迅速將開關(guān)置于2,并在同樣測(cè)試電流Im下測(cè)定此時(shí)的正向壓降Vf2。

    何曉菁[20]、李海[21]、莊鵬[9]等人在各自的研究中均對(duì)該法進(jìn)行了描述,并對(duì)相關(guān)器件進(jìn)行了測(cè)試,但對(duì)于該法在結(jié)溫測(cè)量過程中引入的誤差環(huán)節(jié)卻未提及。實(shí)際上誤差的主要來源是停止加熱功率后,轉(zhuǎn)換測(cè)試電流的響應(yīng)過程中存在的微秒級(jí)測(cè)試延遲時(shí)間Td(圖5)。延遲時(shí)間過短會(huì)引起電壓值的震蕩,而過長又會(huì)影響到Vf的精確測(cè)量。結(jié)電壓Vf隨時(shí)間的變化通常稱為冷響應(yīng)曲線,也可表示為結(jié)溫隨時(shí)間的變化,采用數(shù)學(xué)擬合的方法可反推得到停止加熱的瞬間(Td= 0 時(shí)刻)器件的結(jié)溫(圖6)。通常功率VDMOS 器件的測(cè)試延遲時(shí)間Td為10 μs ~30 μs。

    其中,t 為冷卻時(shí)間;T 為恒定加熱時(shí)間;ΔTj為結(jié)溫升;ΔTj0為結(jié)峰值溫升。

    圖5 測(cè)試時(shí)序圖

    圖6 冷響應(yīng)曲線圖

    采用兩線法測(cè)量Vf(圖7),由于存在引線電阻,通過電流時(shí)會(huì)引起損耗,造成測(cè)量誤差,因此,我們采用更為精確的四線法進(jìn)行測(cè)量(圖8),壓降損耗主要是施加端的測(cè)試電流Im引起,而檢測(cè)端施加微安級(jí)小電流,引線電阻RLEAD引起的壓降可以忽略,從而VM=VR,該法消除了引線電阻的影響,實(shí)現(xiàn)了Vf的精確測(cè)量。

    圖7 兩線法

    圖8 四線法

    2.4 加熱時(shí)間Tp

    穩(wěn)態(tài)熱阻值的測(cè)量要求施加功率后器件處于熱平衡狀態(tài),而能否達(dá)到熱平衡的關(guān)鍵因素便是功率加熱時(shí)間Tp。倘若Tp過短會(huì)導(dǎo)致熱量無法傳遞至參考點(diǎn),對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,而過長又會(huì)降低測(cè)試效率。李祖華[14]在對(duì)GaAs 功率MESFET 的功率加熱時(shí)間Tp的研究中發(fā)現(xiàn),該器件的芯片熱阻在ms 級(jí)可測(cè),器件熱阻在100 ms 級(jí),穩(wěn)態(tài)熱阻為s 級(jí);趙檜[22]等人則發(fā)現(xiàn)功率晶體管的結(jié)殼熱阻RJC測(cè)量所需的Tp為500 ms。因此為了選取合適的Tp,對(duì)不同封裝類型的VDMOS器件進(jìn)行了測(cè)試,其瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線如圖9 所示。

    圖9 瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線

    選取10-4、10-3、10-2、10-1、100、穩(wěn)態(tài)點(diǎn)、101、102這8 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的熱阻值制成數(shù)據(jù)表1。

    表1 數(shù)據(jù)表

    表1 中器件瞬態(tài)熱阻值均隨功率加熱時(shí)間Tp的增加而持續(xù)增大,直至達(dá)到熱平衡狀態(tài)后便保持恒定,3 只樣品實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的最短時(shí)間分別是3.2 s、5.2 s、2.7 s,可見,不同封裝類型的器件達(dá)到熱平衡狀態(tài)所用的時(shí)間有所不同,通常情況下,保證精確測(cè)量的同時(shí)為了提高測(cè)試效率,功率加熱時(shí)間Tp往往控制在100 s 以內(nèi)即可。

    2.5 殼溫Tc 的控制

    結(jié)殼熱阻值Rth(j-c)是考察器件熱性能優(yōu)劣的重要指標(biāo),常用的一種測(cè)量方法是將殼溫保持在恒定溫度下進(jìn)行,難點(diǎn)在于要保證施加功率前后都要處于熱平衡狀態(tài),即如何實(shí)現(xiàn)殼溫的恒定;另一種方法是測(cè)量結(jié)到環(huán)境的熱阻Rth(j-a)后減去管殼到環(huán)境的熱阻Rth(c-a),難點(diǎn)是如何準(zhǔn)確的測(cè)量出殼溫,此法因結(jié)到環(huán)境的熱阻很大,造成的誤差也較大。

    馬春雷[15]、何曉菁[20]等人在研究功率型LED 時(shí)均采用了恒定殼溫的方法,并采用了目前較為常用的鼓風(fēng)干燥恒溫箱來控溫,但該裝置控溫精度低,變溫速度慢,且溫度范圍較窄。因此這里采用了一種循環(huán)水冷冷卻裝置來控溫,如圖10 所示。將器件水平放置于連接了水冷裝置的恒溫平臺(tái)上,通過儀器上部的氣壓槍使管殼和平臺(tái)緊密接觸,該方法模擬器件實(shí)際熱傳導(dǎo)路徑,可以快速降溫,控溫精度較高。殼溫的恒定對(duì)于熱阻測(cè)試結(jié)果有著很重要的影響,舉例來說,針對(duì)TO-39 封裝的功率VDMOS 器件,若給器件施加20 W 的功率,穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試中,其他測(cè)試條件不變,殼溫每升高1 ℃,熱阻值就要減少0.05 ℃/W,該封裝類型器件熱阻值一般在5 ℃/W 左右,也就是說,殼溫每變化1 ℃,熱阻值的測(cè)量結(jié)果就要產(chǎn)生1%的誤差。

    圖10 殼溫控制圖

    為檢測(cè)該水冷測(cè)試系統(tǒng)的誤差,選取TO-39 封裝的功率VDMOS 器件重復(fù)測(cè)量10 次(包括重新裝卸),結(jié)果見表2。

    表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

    測(cè)量結(jié)果可見:重復(fù)10 次的熱阻平均值為5.466℃/W,測(cè)量結(jié)果均接近熱阻平均值,相對(duì)誤差小于1%,表明該水冷測(cè)試系統(tǒng)具有非常好的測(cè)試重復(fù)性。

    2.6 參考結(jié)溫的選取

    實(shí)驗(yàn)中通常會(huì)將結(jié)溫升至125 ℃來計(jì)算器件熱阻,對(duì)于不同的器件,其參考結(jié)溫的選取有所不同。馮士維[3]等人在研究GaAs 功率MESFET 時(shí)將器件結(jié)溫升至150 ℃;熊旺[23]等選取了120 ℃作為大功率LED 的參考結(jié)溫;黃月強(qiáng)[16]等則認(rèn)為125 ℃是測(cè)量IGBT 的最佳結(jié)溫??梢?,不同器件在參考結(jié)溫的選取上存在差異,實(shí)際上通過研究發(fā)現(xiàn),功率VDMOS 結(jié)溫的選取應(yīng)當(dāng)遵循以下兩個(gè)原則:

    (1)在允許溫度范圍內(nèi)盡可能的選取較高的參考結(jié)溫以獲取更加準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

    實(shí)驗(yàn)中結(jié)溫一般會(huì)升至125 ℃,較高的參考結(jié)溫可以有效的減少測(cè)量誤差。Phase 11 型穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試儀在選取測(cè)試延遲時(shí)間Td,反推結(jié)溫的過程中,考慮到儀器、算法等方面的因素,允許出現(xiàn)±1 ℃的誤差,拿TO-39 封裝類型的功率VDMOS 器件為例,熱阻值一般在5 ℃/W 左右,不考慮其他因素的影響,分別將參考結(jié)溫設(shè)定在50 ℃和125 ℃,將誤差考慮進(jìn)去計(jì)算一下其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響:

    可見,不同參考結(jié)溫下的測(cè)量誤差值存在著差異,測(cè)量時(shí)應(yīng)當(dāng)在允許溫度范圍內(nèi)盡可能的選取較高的參考結(jié)溫以獲取更加準(zhǔn)確的熱阻測(cè)試結(jié)果。

    (2)對(duì)于功率器件,最高結(jié)溫有的可以高達(dá)175 ℃,但考慮到器件的連續(xù)工作溫度范圍以及壽命、性能等方面的因素,通常選取125 ℃作為參考結(jié)溫為宜。

    2.7 脈沖方波信號(hào)的選取

    器件加熱使用的是脈沖信號(hào),王偉[24]等人在自主研發(fā)的系統(tǒng)上采用該脈沖方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)了大功率LED 熱阻的測(cè)量,并對(duì)脈沖測(cè)量法進(jìn)行了較為詳盡地描述,但它并未提及脈沖信號(hào)對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試的影響,接下來通過功率VDMOS 器件研究其對(duì)穩(wěn)態(tài)熱阻的影響。

    如圖11 所示,T1表示方波信號(hào)的脈沖寬度,T2代表周期長度,D=T1/T2是占空比。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同占空比下,不同脈沖寬度測(cè)得的熱阻特征曲線有所不同。如圖12 所示。

    圖11 方波信號(hào)

    圖12 脈沖寬度-熱阻曲線

    實(shí)驗(yàn)中選取了占空比為1%、2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%這8 種測(cè)試條件,對(duì)器件熱阻進(jìn)行了測(cè)試。相同脈沖寬度下,較大的占空比由于脈沖周期較短且加熱時(shí)間較長,測(cè)得的瞬態(tài)熱阻值相對(duì)較大。當(dāng)脈沖寬度足夠長的時(shí)候,測(cè)試結(jié)果便不再受占空比的影響,得到的就是熱平衡狀態(tài)下器件的穩(wěn)態(tài)熱阻值。

    不同占空比條件下,除了受脈沖寬度的影響,不同的周期長度對(duì)測(cè)量結(jié)果也是有影響的,如圖13 所示。

    圖13 周期寬度-熱阻曲線

    類似的我們選取占空比為2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%這七種測(cè)試條件。相同周期長度,占空比較高的因所加能量較多,因此得到的瞬態(tài)熱阻值也較高,到達(dá)最終熱平衡所用時(shí)間也較短,反之,占空比較低的信號(hào)則需要更長的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)熱平衡。但當(dāng)周期長度足夠長的時(shí)候(如圖13中的600 s 之后),測(cè)試結(jié)果也不再受占空比的影響,各條件下得到的熱阻值均趨于穩(wěn)定。但低占空比下對(duì)應(yīng)的長周期意味著測(cè)試效率的顯著下降,而高占空比如果控制不當(dāng)易造成器件的熱燒毀,因此對(duì)于不同型號(hào)的功率VDMOS 器件要根據(jù)具體的實(shí)際需要選擇合適的占空比。

    3 結(jié)論

    為了提高功率VDMOS 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試精度,應(yīng)根據(jù)器件性能選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試電流;通過油浴裝置多點(diǎn)擬合出溫度校準(zhǔn)系數(shù)K;選取恰當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間反推出器件結(jié)溫;精確控制管殼溫度,保證測(cè)試過程中溫度的恒定;選擇足夠長的功率加熱時(shí)間保證熱量完全傳遞至參考點(diǎn)。本文較為詳盡的按照功率VDMOS 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試步驟,列舉了影響測(cè)試精度的誤差來源,提出了較為準(zhǔn)確的校準(zhǔn)方法,并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證,旨在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熱阻的精確測(cè)量,為功率VDMOS 熱阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供參考和借鑒。

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