共陰極肖特基二極管熱阻測(cè)試方法研究

康錫娥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

共陰極肖特基二極管熱阻測(cè)試方法研究

康錫娥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

以共陰極肖特基二極管為研究對(duì)象，開展單管芯熱阻和雙管芯熱阻測(cè)試研究。通過對(duì)共陰極二極管的簡(jiǎn)單介紹，引入傳統(tǒng)熱阻測(cè)試、有限元仿真、熱阻矩陣三種方式，進(jìn)行相同測(cè)試條件下的穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)熱阻忽略了熱源之間的熱耦合，因此傳統(tǒng)熱阻測(cè)試方法不適合于雙管芯穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試。采用ANSYS 17.0數(shù)值模擬方法，對(duì)單管芯和雙管芯穩(wěn)態(tài)熱阻進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了熱阻矩陣測(cè)試雙管芯熱阻的準(zhǔn)確性。從而得出采用熱阻矩陣方法進(jìn)行多熱源器件穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試是合適的。

共陰極肖特基二極管；熱阻測(cè)試；有限元仿真；熱阻矩陣；熱耦合；熱源

1 引言

功率半導(dǎo)體器件決定了電路系統(tǒng)的工作效率，物理尺寸和制造成本等因素，因此具有低功耗和低成本、高可靠性和高穩(wěn)定性，小型化功率半導(dǎo)體器件是研發(fā)人員的追求。功率半導(dǎo)體器件一般用于發(fā)電、變電和輸電，這就是原始意義上的電力電子器件，其主要應(yīng)用領(lǐng)域是開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速、電信電路、高壓DC傳輸系統(tǒng)等[1]。因此器件散熱是不可忽視的問題，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)將變的更加重要。

以共陰極肖特基二極管為例，在傳統(tǒng)單芯片熱阻測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，基于線性疊加原理，利用有限元仿真技術(shù)，提出共陰極二極管的熱阻表示方法熱阻矩陣，并通過傳統(tǒng)熱阻測(cè)試、有限元仿真和熱阻矩陣三種方式對(duì)共陰極肖特基二極管進(jìn)行熱阻測(cè)試，結(jié)果表明，熱阻矩陣的測(cè)試方法比傳統(tǒng)的熱阻測(cè)試方法更加適用于共陰極肖特基二極管，除此之外還能在很大程度上降低測(cè)試成本，同時(shí)節(jié)約測(cè)試時(shí)間。

2 單芯片熱阻測(cè)試

2.1 共陰極肖特基二極管介紹

二極管芯片有兩個(gè)電極，陰極和陽極。將兩個(gè)獨(dú)立的二極管芯片，封裝到具有三個(gè)電極的三極管外形中，如圖1所示管腳1代表一個(gè)芯片的陽極，管腳2代表陰極（共陰極），管腳3代表一個(gè)芯片的陽極。

圖1 共陰極二極管

一般在外文資料上會(huì)給出需要測(cè)試的熱阻如表1所示。在表中需要測(cè)試兩個(gè)熱阻值，即每個(gè)獨(dú)立芯片結(jié)到殼的熱阻和整個(gè)器件結(jié)到殼的熱阻。

表1 需要測(cè)試的熱阻

2.2 熱阻定義

根據(jù)現(xiàn)有的電子傳熱標(biāo)準(zhǔn)熱阻值的定義如下[2]：

熱阻表示熱傳導(dǎo)過程中每散發(fā)1W的功率熱量，熱路兩端需要的溫度之差。一般用℃/W為單位，其中Tj為熱傳遞到芯片某點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)溫度，Tc為器件管殼溫度，Q為輸入的發(fā)熱功率。

因此在測(cè)試熱阻時(shí)，需要知道發(fā)熱功率、管殼溫度、結(jié)溫才能最終獲得熱阻值。在熱阻測(cè)試過程中，發(fā)熱功率是在測(cè)試過程中給器件施加的，這已經(jīng)是知道的，管殼溫度可以利用恒溫槽或熱偶直接測(cè)量獲得，但是結(jié)溫?zé)o法直接獲得，因此最關(guān)鍵的是要獲得結(jié)溫。

2.3 結(jié)溫測(cè)量

測(cè)量結(jié)溫的方法有紅外熱像儀法、光譜法、光功率法，電學(xué)參數(shù)法等[4]，但是最簡(jiǎn)單、最精確的測(cè)量結(jié)溫的方法是電學(xué)法。電學(xué)法利用所有半導(dǎo)體結(jié)的固有特性：在小電流下，半導(dǎo)體結(jié)正向?qū)▔航岛蜏囟染€性關(guān)系，此時(shí)獲得的圖形一般被稱為器件的K線圖。本次結(jié)溫測(cè)試是使用Phase12完成的，其結(jié)溫測(cè)試圖形如圖2所示。

圖2 芯片K線圖

獲得結(jié)溫和壓降的關(guān)系之后，就可以進(jìn)行單芯片熱阻測(cè)量。給1號(hào)芯片施加16A脈沖電流，使得器件發(fā)熱，同時(shí)測(cè)試設(shè)備會(huì)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（VF）表征為器件在加上特定功率的熱量后散熱功率達(dá)到平衡時(shí)的特征參數(shù)，根據(jù)之前獲得結(jié)溫和壓降的關(guān)系，即K值，可以獲得此時(shí)的Tj,經(jīng)過計(jì)算可以獲得1號(hào)芯片熱阻值，同樣獲得2號(hào)芯片的熱阻值。

對(duì)共陰極二極管中的單管芯熱阻采用傳統(tǒng)的熱阻測(cè)試結(jié)果如表2所示。但是該項(xiàng)目還需要測(cè)試整個(gè)器件的熱阻，并且要求用的測(cè)試條件是每個(gè)芯片施加16A電流，按照傳統(tǒng)熱阻測(cè)試方法，需要將兩個(gè)芯片并聯(lián)，看成一個(gè)整體芯片，也就是說測(cè)試設(shè)備的能力要超過32A才可以，但實(shí)際上熱阻測(cè)試設(shè)備的測(cè)試能力在20A以內(nèi)，要想提升測(cè)試能力，也就意味著要購(gòu)買大功率設(shè)備，這無形中就增加了測(cè)試成本。

表2 單管芯熱阻測(cè)試數(shù)據(jù)

3 整個(gè)器件熱阻測(cè)試

3.1 傳統(tǒng)的多芯片熱阻測(cè)試方法

共陰極二極管內(nèi)部封有兩個(gè)獨(dú)立二極管，是由兩個(gè)熱源組成的，屬于多芯片器件，在多芯片熱阻測(cè)試方面，芯片之間的熱耦合作用是存在的[3]。因此在表1中整個(gè)器件的熱阻測(cè)試就不能采用傳統(tǒng)測(cè)試方法。對(duì)于多芯片熱阻測(cè)試，國(guó)外許多學(xué)者已有很多這方面的研究，提出了一些測(cè)試方法。

（1）平均熱阻測(cè)試方法[5]

多芯片熱阻可以通過器件的平均結(jié)溫(Tjavg)和整個(gè)器件的總功耗（Q）來表示：

（2）獨(dú)立芯片熱阻表示法[6-7]

根據(jù)器件內(nèi)部各自產(chǎn)生的功耗Qi,用各自結(jié)到殼的熱阻Rthc-i來表示多芯片組件的熱阻：

但是上述兩種熱阻的表示方法，都存在各自的不足之處，其中平均熱阻表示方法沒有考慮內(nèi)部各功率芯片的分配和變化問題，并且只能給出各功率芯片的平均溫度，不適用于功率芯片的結(jié)溫有較大差異的情況。而獨(dú)立芯片熱阻表示方法，沒有考慮大芯片之間的耦合熱傳遞作用，在實(shí)際應(yīng)用中芯片之間的熱耦合作用是不能被忽略的。

3.2 熱阻矩陣測(cè)試方法

考慮到多芯片和混合電路熱測(cè)試中出現(xiàn)的問題，Phase系列熱阻測(cè)試設(shè)備的創(chuàng)始人約翰博士提出線性疊加原理進(jìn)行多芯片熱阻測(cè)試即熱阻矩陣。[R]*[Q]=[ΔT]

其中R、Q、ΔT分別代表如下含義：

式（5）代表的是熱阻矩陣，R11是1號(hào)芯片通過自身加熱，由單位功耗引起的溫度增加值，R12表示的是2號(hào)芯片本身沒有被加熱，但是由于1號(hào)芯片被加熱，受到熱耦合，造成其有一定的溫升，給整個(gè)器件帶來一定的熱阻值，如此類推，R21是2號(hào)芯片由1號(hào)芯片的熱耦合引起的溫度增加值，R22由2號(hào)芯片單位功耗引起的溫度增加值。在實(shí)際的熱阻測(cè)試過程中，我們將會(huì)獲得R11、R12、R21和R22的值，同時(shí)也會(huì)知道所施加的功率Q1和Q2，通過公式2可以獲得△T1、△T2，再利用計(jì)算公式（8）獲得整個(gè)器件的熱阻值。

共陰極二極管的熱阻

經(jīng)過試驗(yàn)獲得的每個(gè)熱源的熱阻值如表3所示。

表3 熱阻值

3.3 有限元仿真

根據(jù)熱阻矩陣公式，要想獲得整個(gè)器件的熱阻，必須先獲得每個(gè)熱源的熱阻值和相應(yīng)的加熱功率，計(jì)算獲得△T1、△T2。采用大型商用有限元分析軟件ANSYS17.0，根據(jù)實(shí)際封裝中使用的主要材料如表4所示，建立共陰極肖特基二極管的分析模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

從圖3可以清楚的看到兩個(gè)獨(dú)立的二極管芯片。根據(jù)線性疊加原理，分別對(duì)每個(gè)芯片施加獨(dú)立的功率，獲得每個(gè)芯片的熱阻值。首先給其中一個(gè)芯片施加10W的功率，利用ANSYS有限元軟件獲得每個(gè)芯片的熱阻值，其次給另外一個(gè)芯片施加10W的功率，再次獲得每個(gè)芯片的熱阻值。

3.4 測(cè)試結(jié)果比對(duì)

使用傳統(tǒng)的熱阻測(cè)試方法、熱阻矩陣和有限元仿真三種方法實(shí)現(xiàn)了共陰極肖特基二極管的熱阻測(cè)試（單管芯和雙管芯熱阻）。通過對(duì)表2、表3和表5的單管芯熱阻測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)熱阻和熱阻矩陣仿真出的熱阻值差距很小，能夠真實(shí)發(fā)現(xiàn)器件的散熱狀態(tài)。再看表6是對(duì)三種方法測(cè)試整個(gè)器件熱阻值的整理，從數(shù)據(jù)上明顯看出傳統(tǒng)熱阻測(cè)試結(jié)果要比熱阻矩陣和仿真值大，原因就是忽略了芯片之間的熱耦合作用。而熱阻矩陣和仿真結(jié)果差距較小，更好的反映了整個(gè)器件的熱狀況。

表4 主要材料

表5 模擬熱阻值

表6 整個(gè)器件熱阻值

4 結(jié)束語

以共陰極肖特基二極管為例，進(jìn)行了單管芯熱阻測(cè)試和整個(gè)器件的熱阻測(cè)試，提出了單管芯熱阻測(cè)試方法不適用于多管芯熱阻測(cè)試的原因，并在此基礎(chǔ)上引入了熱阻矩陣測(cè)試方法，利用有限元仿真，驗(yàn)證了熱阻矩陣測(cè)試的準(zhǔn)確性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)熱阻矩陣不僅能測(cè)出單管芯熱阻值，同時(shí)也能測(cè)出整個(gè)器件的熱阻值，降低測(cè)試成本，節(jié)約測(cè)試時(shí)間，更加真實(shí)有效的反映一個(gè)器件的散熱狀態(tài)[8]。

[1]Li ting.Power schottky diode and the key technology research [D].Harbin engineeringuniversity，2012.8.

[2]JEDEC Standard EIA/JESD51-1,Integrated Circuit Thermal Measurement Method Electrical Test Method(Single semiconductor Device)[S].1995.

[3]Rosten,Harvey,Lasance C J M.The Development of Libraries of Thermal Models of Electronics Components for an Integrated Design Environment[A].Proceedings of the IEPS Conference[C].Atlanta,Georgia,138147.

[4]Tengweirong,Ju changchao.An investigation ofthermal testing and analgsis for power MOSFET device[J].Electronice and packaging,October 2011.

[5]Bar-Cohen.Thermal management of air-and liquid-cooled multiple modules[J].IEEE Trans Compon,hybird-manuf technol,1987,CHMT-10(2):6265.

[6]Sullhan R,Monaghan T,Agarwal A.Thermal Moduling and analysis of Multiple Modules[A].Process of the 7th Annual IEEE Muti-chip Module conference[C].1992.1822.

[7]Joiner B,Adams V.Measurement and Simulation of Junction to Board Thermal Resistance and Its Application in Thermal Modeling[A].Proc of SEMITHERM[C].1999,San Diego. 2226.

[8]Zhu junjie.The research of thermal resistance measurement for power chip and the design of test system[D].Southeast university，April 2013.

Research on Test Method for Common Cathode Schottky Diode Thermal Resistance

Kang Xi’e
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032，China）

The common cathode schottky diode is used as the research object for test research of the single pipe core thermal resistance and double tube core thermal resistance.The traditional thermal resistance test,the finite element simulation and the thermal resistance matrix are introduced for the steady state thermal resistance test under the same test environment.It is found that the thermal coupling between the heat source is ignored by the traditional thermal resistance.So the traditional method is not suitable for the double tube core steady state thermal resistance test.By using the numerical simulation method of ANSYS17.0,the simulation is conducted for the steady state thermal resistance of the single pipe core and the double one,which shows the accuracy of thermal resistance matrix in double tube core thermal resistance,and thethermal resistance matrix is appropriate for steady state of the heat source device thermal resistance test.

Common cathode schottky diode；Thermal resistance test；Finite element simulation；Thermal resistance matrix；Heat source；Thermal coupling

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.008

TN3

A

1002-2279-（2017）02-0030-04

康錫娥（1980-），女，河北省唐山市人，學(xué)士學(xué)位，工程師，主研方向：測(cè)試。

2016-08-29