功率MOSFET器件穩(wěn)態(tài)熱阻測試原理及影響因素

康錫娥

（中國電子科技集團(tuán)公司第47研究所，沈陽 110032）

1 引言

目前功率器件作為多數(shù)電子設(shè)備的關(guān)鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機(jī)的可靠性。功率器件在工作時產(chǎn)生的熱量會使自身溫度升高，而溫度升高會對功率器件的性能產(chǎn)生有害影響。如高溫會危及到半導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)，損傷電路的連接界面，增加導(dǎo)體的阻值形成機(jī)械應(yīng)力的損傷，這樣將嚴(yán)重影響器件性能，增加故障率，從而造成電子設(shè)備失效。因此在器件研制過程中，對每個器件進(jìn)行熱阻測試至關(guān)重要。常用的熱阻測試方法有紅外掃描成像法[1]、液晶示溫法[10]、標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法[2]。紅外掃描成像法是通過測量器件工作時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。但這種方法需要對器件進(jìn)行開帽處理，易對器件造成永久性破壞；液晶示溫法是利用液晶在不同的溫度下對恒定光源反射不同波長的光，呈現(xiàn)不同的顏色，需要被測結(jié)直接可見；而標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法采用瞬態(tài)熱學(xué)測量，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，如芯片焊料層管殼等部位，以此判斷器件熱性能的好壞。此法靈敏度高、測量速度快，且不易對器件造成破壞，因此標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法測試熱阻是最優(yōu)的選擇。本文以電力學(xué)熱阻測試方法為基準(zhǔn)，在測試系統(tǒng)Phase11基礎(chǔ)上講述熱阻測試原理，并講解此過程中的重點(diǎn)影響因素以及解決措施。

2 熱阻測試原理

熱阻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，其單位為℃·W-1或K·W-1，公式為[10]：

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MOSFET是利用源－漏間續(xù)流二極管作為溫敏元件進(jìn)行測量的，如圖1 所示。

圖1 MOSFE結(jié)構(gòu)圖和電路符號

整個熱阻測試過程分成兩部分，第一部分是將器件放在一個常溫環(huán)境中并不斷改變環(huán)境溫度，同時保持器件和環(huán)境溫度一致，在此過程中持續(xù)給續(xù)流二極管通過小電流，使半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)溫變化Tj與正向結(jié)電壓變化Vf呈良好的線性關(guān)系，用溫度校準(zhǔn)系數(shù)K來表示，滿足關(guān)系式Tj=K Vf+T0，從而獲得K系數(shù)值。第二部分是在第一部分結(jié)束后，將被測器件放置到常溫環(huán)境，給MOSFET整個器件施加功率PH，等待器件達(dá)到熱平衡。施加的功率引起結(jié)溫變化，利用關(guān)系式Tj=K Vf+T0，其中T0為施加功率前的初始結(jié)溫，K系數(shù)在第一部分已經(jīng)獲得，因此可以計算出達(dá)到熱平衡之后的節(jié)溫Tj。同時在加熱功率結(jié)束時，可以通過熱偶直接測得管殼的溫度（環(huán)境溫度），利用熱阻的計算公式（1），可得器件穩(wěn)態(tài)熱阻值。

3 熱阻測試影響因素

熱阻的測試過程中需要確定好7個測試條件，之后才可以進(jìn)行測試，這7個測試條件分別是：①測試電流Im；②溫度校準(zhǔn)系數(shù)K；③參考結(jié)溫Tj；④殼溫Tc（環(huán)境溫度Ta）的控制；⑤選取測試延遲時間Td；⑥功率加熱時間Tp；⑦脈沖方波信號選取。在以往的測試過程中，這些均需要測試人員在測試過程中手動進(jìn)行調(diào)整，需要不斷地改變條件，來獲得最真實(shí)準(zhǔn)確的測試結(jié)果。但是隨著測試設(shè)備的不斷更新，測試條件③~⑦已經(jīng)不需要測試人員進(jìn)行調(diào)整，測試設(shè)備可以自動完成，這將有效地降低對熱阻測試的影響。因此將從測試電流、校準(zhǔn)系數(shù)、參考結(jié)溫以及測試夾具方面分析對熱阻測試的影響。

3.1 測試電流Im的選擇方法

測量溫度校準(zhǔn)系數(shù)K之前，首先需要選取合適的測試電流Im，其值不能過大致使芯片產(chǎn)生自熱效，造成正向壓降和溫度不是線性關(guān)系，也不能小到無法導(dǎo)通而不能獲取正常的測試值。不同類型器件的Im是不同的，李祖華[3]的研究表明 GaAs 功率 MESFET 的Im為0.1~1 mA， 馬春雷[4]等人發(fā)現(xiàn)功率型 LED 的Im在5 mA 左右。對于不同芯片參數(shù)的功率MOSFET器件來說，通常選取的測試電流是1~10 mA，但是隨著器件功率越來越大，其測試電流值已經(jīng)超過了10 mA ，達(dá)到50 mA或者更高。合理地根據(jù)器件的電學(xué)參數(shù)找到合適的測試電流是實(shí)現(xiàn)熱阻精確測量的重要保證?？筛鶕?jù)器件的伏安特性曲線來選取，通常會選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。

3.2 提高溫度校準(zhǔn)系數(shù)K的方法

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值測量的關(guān)鍵在于溫度的精確控制。黃月強(qiáng)[5]、肖煒[6]、馬春雷[4]等人都在自己的研究中強(qiáng)調(diào)了溫度系數(shù)精確測量的重要性，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20~30 min才能實(shí)現(xiàn)單個溫度點(diǎn)的平衡，而實(shí)驗(yàn)通常需要采集多個溫度點(diǎn)，故測試效率低；且控溫范圍較窄（30~120 ℃），控溫精度偏低（±1 ℃），測量過程中氣流的局部微小波動也可能會影響到實(shí)際溫度的精確測量。Phase11[9]采用的是油浴加熱裝置，該裝置有以下幾個特點(diǎn)：（1）由集成在熱阻測試系統(tǒng)中的模塊直接進(jìn)行溫度控制，整個測試過程測量裝置由電腦自動完成數(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)扇的堅固底盤能夠很好地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)器件被牢牢地固定在油浴中；（6）控溫范圍較大，通常為20~300 ℃，控溫精度較高，為±0.2 ℃。

圖2 溫度校準(zhǔn)系數(shù)測試裝置

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)，通以測試電流Im，加熱油鍋至要求的溫度（125 ℃）。整個測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)系得到溫度校準(zhǔn)系數(shù) K， 如圖3 所示。該油浴加熱裝置實(shí)現(xiàn)了對溫度的精確控制，較多的測試采點(diǎn)也保證了圖形的精確可靠，測試效率較恒溫箱也有了很大程度的提升，為后續(xù)的熱阻測試提供了相對準(zhǔn)確的溫度校準(zhǔn)系數(shù) K。

圖3 溫度校準(zhǔn)曲線

3.3 Tj的選擇標(biāo)準(zhǔn)

在熱阻測試過程中，需要設(shè)置將器件結(jié)溫加熱的溫度。實(shí)驗(yàn)中通常會將結(jié)溫升至125 ℃來計算器件熱阻，對于不同的器件，其參考結(jié)溫的選取有所不同。馮士維[7]等人在研究GaAs功率MESFET時將器件溫升至150 ℃；熊旺[8]等則將120 ℃作為大功率LED的參考結(jié)溫；黃月強(qiáng)[5]等認(rèn)為 125 ℃是IGBT的最佳結(jié)溫，可見不同器件在參考結(jié)溫的選取上存在差異。實(shí)際上通過研究發(fā)現(xiàn)，功率MOSFET應(yīng)當(dāng)盡可能選取較高的參考結(jié)溫以獲取更加準(zhǔn)確的測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中結(jié)溫一般會升至125 ℃，較高的參考結(jié)溫可以有效減少測量誤差。分別將參考結(jié)溫設(shè)定在90 ℃和125 ℃，其對測量結(jié)果的影響通過表1 中的數(shù)據(jù)可以看出。

表1 不同參考結(jié)溫對應(yīng)熱阻值的比較

從表1看出，結(jié)溫設(shè)置低，熱阻值反倒比較大，這樣就可能造成對器件的誤判。對于功率器件，最高結(jié)溫有的可以高達(dá)150~170 ℃， 但考慮到器件的連續(xù)工作溫度范圍以及壽命性能等因素，通常選取125 ℃作為參考結(jié)溫。

3.4 測試夾具的影響

在對環(huán)境熱阻的測試中，要給器件安裝專業(yè)的測試夾具，熱阻測試過程中的第二部分加熱過程中，器件需要不斷的散熱，如果散熱不好，會造成結(jié)溫偏大，依據(jù)熱阻測試公式，在相同的加熱功率下，溫差大容易造成測試結(jié)果偏大或者測試不合格，做出誤判，表2的數(shù)據(jù)詳實(shí)地記錄了測試夾具（TO-220）的影響。因此在進(jìn)行對環(huán)境熱阻的測試時，一定要選擇合適的測試夾具，保證器件的良好散熱。

表2 安裝和未安裝測試夾具的熱阻測試結(jié)果比較

4 結(jié)論

本文較為詳盡地敘述了MOSFET利用標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱阻測試的原理，為了提高功率 MOSFET穩(wěn)態(tài)熱阻測試精度，應(yīng)根據(jù)器件性能選擇適當(dāng)?shù)臏y試電流；通過油浴裝置多點(diǎn)擬合出溫度校準(zhǔn)系數(shù)K，選取合適的參考節(jié)溫、測試夾具，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了驗(yàn)證，旨在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熱阻的精確測量，為功率VDMOS熱阻測試標(biāo)準(zhǔn)提供參考和借鑒。

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[7] 馮士維，謝雪松，呂長治，等. 半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測量與分析[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報，1999，20(5) : 358.

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