功率VDMOS器件熱阻測(cè)試

，， ， ，金婷

(西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西西安，710065)

1　引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及脈寬調(diào)制控制的提升，功率VDMOS器件由于其高輸入阻抗、快開關(guān)速度等特性，在整流、逆變、直流/直流變換、交流/交流變換等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外各大半導(dǎo)體制造公司都在積極地研制不同型號(hào)的功率VDMOS器件。該類型的器件，具有功率器件的通用特性，即在工作的過(guò)程中，產(chǎn)生大量的熱量使得器件自身的溫度升高。這些熱量會(huì)使器件的性能下降，降低所設(shè)計(jì)功率變換系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞系統(tǒng)。依據(jù)美國(guó)航空電子的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)道，約55%的器件失效都是由于器件的熱效應(yīng)引起的。功率VDMOS器件的散熱設(shè)計(jì)，是功率變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的方面。面對(duì)功率變換系統(tǒng)小尺寸化、輕質(zhì)量等設(shè)計(jì)的需求，功率VDMOS器件散熱問(wèn)題使半導(dǎo)體制造公司面臨的器件熱特性問(wèn)題更加嚴(yán)峻。在器件的眾多技術(shù)參數(shù)中，熱阻以溫差與輸入功率的比值進(jìn)行定義，是衡量器件熱特性的重要參數(shù)。

在功率VDMOS器件設(shè)計(jì)和研制過(guò)程中，如何有效地進(jìn)行其熱阻的測(cè)量，對(duì)指導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)，尤其是封裝特性，具有重要意義。本文在介紹功率VDMOS器件熱阻測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)測(cè)試過(guò)程中，影響其關(guān)鍵測(cè)量精度的因素，進(jìn)行了分析，為功率器件設(shè)計(jì)制造過(guò)程中熱效應(yīng)降低措施，提供有效地指導(dǎo)思想。

2　熱阻模型

當(dāng)功率VDMOS器件導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)其本身的電流，會(huì)在阻抗的作用下，產(chǎn)生熱量。這些熱量首先會(huì)引起芯片結(jié)溫升高。熱量在傳輸?shù)倪^(guò)程中，從芯片內(nèi)部向外部空間環(huán)境進(jìn)行擴(kuò)散。熱量擴(kuò)散性能，可通過(guò)熱阻技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行衡量。依據(jù)整個(gè)功率VDMOS器件的構(gòu)造，相應(yīng)的熱阻可由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)組成：芯片熱阻、燒結(jié)熱阻、管殼熱阻、散熱器熱阻。上述四部分的關(guān)系如圖1所示。

圖1　功率VDMOS器件熱阻模型

芯片熱阻、燒結(jié)熱阻、管殼熱阻存在器件內(nèi)部，通常稱為熱阻。熱阻的測(cè)量通常以器件結(jié)溫、管殼溫度的差異，與輸入功率之比得到，即：

(1)

式中，Tj為器件的結(jié)溫；Tc為器件的管殼溫度；P為輸入功率。

針對(duì)具體的功率VDMOS器件，熱阻又可分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻兩大類。穩(wěn)態(tài)熱阻為在器件達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，器件結(jié)溫、管殼溫度之間的溫度差，與輸入功率的比值。穩(wěn)態(tài)熱阻能夠反映器件散熱的能力。對(duì)應(yīng)的數(shù)值越大，散熱能力越差，很容易造成器件的故障。該參數(shù)能夠反映器件在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中所選擇的管殼、焊料片等工藝。對(duì)于過(guò)高的熱阻阻值，應(yīng)重新調(diào)整其設(shè)計(jì)封裝工藝。瞬態(tài)熱阻為在器件未達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，器件結(jié)溫、管殼溫度之間的溫度差，與輸入功率的比值。該參數(shù)主要反映器件的燒結(jié)質(zhì)量，以及同一批次產(chǎn)品的一致性。進(jìn)行瞬態(tài)熱阻測(cè)試的主要原因?yàn)闊Y(jié)過(guò)程難保證一致，以及焊料片質(zhì)量的不均勻性。燒結(jié)空洞和焊料片的氧化，是瞬態(tài)熱阻大幅增加的主要因素。

3　熱阻測(cè)試

依據(jù)式(1)的定義，功率VDMOS器件的熱阻測(cè)試需要建立在結(jié)溫、殼溫、輸入功率三者基礎(chǔ)上。

輸入功率可通過(guò)直流電源直接在源極和漏極之間施加電壓的方式獲得。在源極和漏極之間施加電壓后，源極和漏極之間會(huì)流過(guò)電流，在器件內(nèi)部產(chǎn)生熱量。目前的直流電源都帶有輸出功率顯示屏。相應(yīng)的輸出功率可通過(guò)顯示屏直接讀取得到。若沒有顯示屏，可通過(guò)在測(cè)試電路中，增加電流表和電壓表的方式，通過(guò)相應(yīng)的輸出值計(jì)算得到。

殼溫可通過(guò)熱電偶進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，將熱電偶與器件外部相連接。利用熱電偶輸出的電壓信號(hào)，可計(jì)算得到殼溫。器件本身是否達(dá)到熱平衡狀態(tài)，可依據(jù)熱電偶的輸出信號(hào)是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷。

結(jié)溫?zé)o法通過(guò)直接測(cè)量的方式得到。功率VDMOS器件漏極和源極之間的二極管正向壓降VD具有熱敏特性。結(jié)溫的測(cè)量可通過(guò)該二極管正向壓降特性間接計(jì)算得到。伴隨著結(jié)溫的不同，二極管正向壓降VD不同。二極管正向壓降VD與溫度的關(guān)系，可用溫度系數(shù)進(jìn)行衡量。根據(jù)溫度系數(shù)和實(shí)際測(cè)量的二極管壓降，可計(jì)算得到結(jié)溫。溫度系數(shù)的獲取是結(jié)溫測(cè)量的關(guān)鍵。

溫度系數(shù)的獲取建立在數(shù)據(jù)測(cè)試分析基礎(chǔ)上。結(jié)合油的物理特性，將功率VDMOS器件放置到油鍋之中。由于器件和油處于相同的熱環(huán)境中，因此器件的結(jié)溫與油鍋中的油溫是相等的。通過(guò)油溫的測(cè)量，可以得到器件結(jié)溫的變化情況。油溫的測(cè)量可通過(guò)熱電偶測(cè)量。將器件的柵極與源極短接，利用電流信號(hào)，產(chǎn)生二極管正向壓降。通過(guò)改變油鍋里面油的溫度，可得到不同的結(jié)溫下，對(duì)應(yīng)的不同的二極管正向壓降。

4　溫度系數(shù)計(jì)算

通過(guò)改變結(jié)溫的方法，可以得到不同結(jié)溫下二極管正向壓降。如何通過(guò)不同溫度下的結(jié)溫，得到溫度系數(shù)，對(duì)熱阻的測(cè)量具有重要意義。

溫度系數(shù)反映的是結(jié)溫和二極管正向壓降之間的關(guān)系。對(duì)于測(cè)量得到的結(jié)溫和二極管正向壓降數(shù)據(jù)(Tji，CDi)，利用最小二乘法的基本思想計(jì)算溫度系數(shù)的過(guò)程如下描述。對(duì)于結(jié)溫測(cè)量的溫度平均值為：

(2)

二極管正向壓降的平均值為：

(3)

溫度系數(shù)可表示為：

(4)

閾值可表示為：

(5)

對(duì)于任意測(cè)得的二極管正向壓VDs，對(duì)應(yīng)的結(jié)溫可表示為：

Tjs=TKVDs+b

(6)

數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取，對(duì)計(jì)算得到的溫度系數(shù)有效性具有重要影響。數(shù)據(jù)點(diǎn)涉及的溫度范圍，應(yīng)該包含整個(gè)可能結(jié)溫所涉及的溫度區(qū)間。最低結(jié)溫可取常溫。最高結(jié)溫為器件所允許的最高溫度。為了使最小二乘法從算法上發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，在調(diào)節(jié)油溫時(shí)，所記錄的測(cè)量點(diǎn)溫度，應(yīng)為在溫度測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行等間隔分割的溫度點(diǎn)。

5　熱電偶測(cè)量

在殼溫和油溫的測(cè)量過(guò)程中，都要用到熱電偶進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于選定的熱電偶來(lái)說(shuō)，其測(cè)溫基本原理如圖2所示，主要依據(jù)兩種不同的金屬在同一熱環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生不同的接觸電動(dòng)勢(shì)基本原理，進(jìn)行溫度測(cè)量。測(cè)量熱端溫度T時(shí)，在冷端T0測(cè)得的電勢(shì)差為：

E=E(T)-E(T0)

(7)

圖2　熱電偶測(cè)溫基本原理

依據(jù)熱電偶的分度表，結(jié)合測(cè)量點(diǎn)測(cè)量得到的電勢(shì)差，可以計(jì)算得到被測(cè)量點(diǎn)的溫度。由式(7)可知，溫度計(jì)算過(guò)程中，還需要冷端的溫度。冷端的電勢(shì)，在熱電偶測(cè)量誤差中占據(jù)重要地位。針對(duì)熱阻測(cè)量過(guò)程中，所測(cè)量的溫度主要在200℃以下。在這種低溫測(cè)量環(huán)境下，冷端電勢(shì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響更加嚴(yán)重。雖然目前多種補(bǔ)償方法，被應(yīng)用于熱電偶測(cè)量過(guò)程中的冷端補(bǔ)償中，但是低溫段的補(bǔ)償效果并不理想。

考慮到熱阻測(cè)量環(huán)境的特殊性，測(cè)試過(guò)程中可將冷端放置在恒溫狀態(tài)中。恒溫可以通過(guò)第三方溫度測(cè)量裝置測(cè)量得到具體的溫度值。通過(guò)查詢相應(yīng)的熱電偶分度表，可得到式(7)中所對(duì)應(yīng)的冷端溫度所產(chǎn)生的電勢(shì)。式(7)中對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差，可以通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表的電壓檔直接測(cè)量得到。結(jié)合數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量結(jié)果，和所得到的冷端電勢(shì)，可得到被測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)。利用熱電偶分度表，可以得到被測(cè)量點(diǎn)的溫度值，實(shí)現(xiàn)熱電偶的精確溫度測(cè)量。

6　結(jié)論

功率VDMOS器件的熱阻，是衡量器件在輸入功率作用下溫度改變特性的重要技術(shù)指標(biāo)。熱阻的大小，無(wú)論從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度還是從器件研制角度來(lái)說(shuō)，都受到重視。本文以功率VDMOS器件的熱阻測(cè)量為對(duì)象，在分析熱阻模型的基礎(chǔ)上，給出了具體的測(cè)量方法。針對(duì)影響熱阻測(cè)量結(jié)果的重要技術(shù)途徑，結(jié)合測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，在數(shù)據(jù)處理方面和熱電偶高精度溫度測(cè)溫方面給出了措施，為熱阻的精確測(cè)量提供基礎(chǔ)。伴隨著嵌入式微控制器技術(shù)的發(fā)展，本文能夠?yàn)闊嶙枳詣?dòng)化測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

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