MOSFET瞬態(tài)脈沖熱阻的測(cè)量及其變化規(guī)律研究

摘 要：半導(dǎo)體器件正不斷朝高功率、高電壓、大電流方向發(fā)展，隨之而來(lái)的是高功率帶來(lái)的發(fā)熱和散熱難題?，F(xiàn)以MOSFET作為研究對(duì)象，對(duì)瞬態(tài)熱阻進(jìn)行測(cè)量與分析，研究MOSFET瞬態(tài)熱阻在不同柵極電壓下的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MOSFET瞬態(tài)熱阻隨柵極電壓VGS絕對(duì)值的增大而減小，但對(duì)于不同的器件，熱阻減小的幅度不同。通過(guò)分析得到引起上述現(xiàn)象的原因在于，當(dāng)柵極電壓變化時(shí)，溝道和漂移區(qū)的物理尺寸發(fā)生變化，從而對(duì)熱流的擴(kuò)散長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，改變了通道的導(dǎo)通電阻分布，并且導(dǎo)電通道內(nèi)的峰值溫度點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：MOSFET;瞬態(tài)脈沖熱阻;柵極電壓;瞬態(tài)雙界面法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN407? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）13-0001-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.001

0? ? 引言

作為一種重要的半導(dǎo)體元器件，金屬—氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET被廣泛應(yīng)用于整個(gè)電子行業(yè)。隨著MOSFET逐漸微型化、集成化，器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)更加集中，從而引起溫度升高，當(dāng)溫度升高到大于器件最大允許溫度時(shí)，器件會(huì)性能退化甚至損壞。作為器件的重要熱學(xué)參數(shù)，結(jié)溫可以直觀反映出器件的散熱能力。結(jié)溫可以通過(guò)熱阻計(jì)算得到，從而為器件的封裝與可靠性設(shè)計(jì)提供參考思路，在器件選型時(shí)也可以提供熱性能參考。

早期對(duì)MOSFET熱阻的研究主要集中在驗(yàn)證不同測(cè)試方法的準(zhǔn)確性、外部環(huán)境改變對(duì)熱阻測(cè)試的影響、芯片設(shè)計(jì)和封裝對(duì)熱阻的影響等等，很少有人研究MOSFET熱阻與柵極電壓的關(guān)系。本文通過(guò)研究對(duì)MOSFET施加不同柵極電壓時(shí)的瞬態(tài)脈沖熱阻，分析MOSFET熱阻的變化規(guī)律，從而選擇合適的柵極工作電壓范圍，避免MOS管在工作過(guò)程中因產(chǎn)生大量熱量而造成損壞的問(wèn)題。

1? ? 熱傳輸與熱阻

1.1? ? 熱傳輸

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)兩個(gè)物體之間存在溫度差時(shí)，兩者之間發(fā)生熱量傳遞，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，該過(guò)程是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。

下面用功率器件解釋一下熱量傳遞的過(guò)程：當(dāng)功率器件工作時(shí)，在芯片處產(chǎn)生熱量，由于存在溫度差，熱量通過(guò)芯片與封裝體的接觸傳遞到封裝體內(nèi)表面，然后通過(guò)介質(zhì)—封裝體傳遞到封裝體外表面（器件外殼），最后將熱量傳遞到周?chē)h(huán)境中。該過(guò)程稱(chēng)為傳熱過(guò)程。

在上述熱量傳遞過(guò)程中，熱量從芯片傳遞到封裝內(nèi)表面、從封裝內(nèi)表面?zhèn)鬟f到封裝外表面的過(guò)程和從封裝外表面?zhèn)鬟f到周?chē)h(huán)境的過(guò)程存在本質(zhì)上的不同。在前兩個(gè)熱量傳遞過(guò)程中，芯片與封裝體之間、封裝體與封裝體之間分子相對(duì)靜止，不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該過(guò)程被稱(chēng)為導(dǎo)熱過(guò)程;而在最后一個(gè)熱量傳遞過(guò)程中，環(huán)境中空氣分子與封裝外表面之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且空氣分子之間也存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該過(guò)程被稱(chēng)為對(duì)流過(guò)程。另外，封裝外表面與周?chē)h(huán)境中不接觸的物體之間也存在熱量傳遞，該過(guò)程被稱(chēng)為輻射換熱。綜上所述，一般物體的熱量傳遞過(guò)程由導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱三部分組成[1]。

1.2? ? 熱阻

熱阻是熱量傳遞時(shí)所受的阻力，為方便理解，熱阻可表示為施加1 W熱功率所引起的溫升，其單位為K/W或℃/W，是表示物體熱性能的物理量。

在對(duì)器件施加電壓時(shí)，器件內(nèi)形成電場(chǎng)產(chǎn)生電流，載流子在電場(chǎng)作用下速度變大。當(dāng)載流子與晶格發(fā)生碰撞后，一部分電能將轉(zhuǎn)化成熱能，這部分熱能以聲子的形式在晶格間傳輸，引起芯片溫度升高。當(dāng)芯片溫度升高到大于環(huán)境溫度時(shí)，熱量通過(guò)封裝體框架、管體材料向周?chē)h(huán)境散發(fā)。根據(jù)擴(kuò)散規(guī)律，熱流密度隨著溫度梯度的增加而增加。一般情況下，功率器件的芯片面積大且厚度小，可以認(rèn)為熱量傳遞的路徑只存在于垂直于芯片截面的方向，此時(shí)可以用一維模型計(jì)算熱流密度Q：

Q=-κ（1）

式中：κ為材料的熱導(dǎo)率（W/cm）;負(fù)號(hào)表示熱量從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞。

假設(shè)芯片橫截面積為A，熱量流經(jīng)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)芯片產(chǎn)生的熱量等于器件發(fā)散的熱量，即：

Pc=Q·A（2）

將其代入式（1）得：

=-κ（3）

將式（3）積分得：

dx=-dT（4）

Pc=TJ-Ta（5）

令熱阻：

RT =（6）

則在動(dòng)態(tài)熱平衡時(shí)：

Pc=（TJ-Ta）/RT（7）

其中式（6）是物理學(xué)熱阻公式，式（7）是數(shù)學(xué)計(jì)算公式[2]。

2? ? 測(cè)試方法與原理

在測(cè)試之前，需要選定好合適的溫度敏感參數(shù)TSP、測(cè)試電流Im、溫度校準(zhǔn)系數(shù)K，其中溫度敏感參數(shù)TSP的理論基礎(chǔ)是p-n結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系[3-4]：

VF=Vg（0）lnT-n T? r（8）

式中：VF為p-n結(jié)正向壓降;Vg（0）為0 K時(shí)價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的電位差;k為玻耳茲曼常量;q為電荷常數(shù);c為依賴(lài)于結(jié)面積和摻雜密度的常數(shù);r也是常數(shù);IF為正向電流。

通過(guò)選取合適的TSP，獲得TSP與溫度之間的關(guān)系曲線，從而計(jì)算出結(jié)溫。MOSFET一般選取漏極和源極之間的寄生二極管正向壓降VSD作為T(mén)SP;測(cè)試電流Im用于獲取TSP與溫度之間的關(guān)系，Im既不能過(guò)大使芯片產(chǎn)生自熱效應(yīng)，也不能過(guò)小無(wú)法使p-n結(jié)導(dǎo)通，獲取不到壓降數(shù)據(jù)。在一定的測(cè)試電流Im下，溫度敏感參數(shù)TSP隨溫度變化曲線斜率的倒數(shù)稱(chēng)為溫度校準(zhǔn)系數(shù)K，它表示電參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系。

熱阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JESD51-14介紹了一種滿足一維導(dǎo)熱路徑條件的半導(dǎo)體器件結(jié)殼熱阻測(cè)試方法——瞬態(tài)雙界面測(cè)試法，其主要步驟如下：

（1）選取合適的TSP，計(jì)算K系數(shù)。

（2）采集瞬時(shí)結(jié)溫。首先將器件固定在水冷型測(cè)試夾具上，夾具通以冷卻水，如圖1所示[5]。然后施加加熱電流IH，使器件得到充分加熱且處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，再將加熱電流IH快速切換至測(cè)試電流Im，在降溫過(guò)程中實(shí)時(shí)采集TSP，經(jīng)過(guò)K系數(shù)換算得到結(jié)溫，繪制降溫曲線。

（3）把降溫曲線轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶙杩骨€。在器件達(dá)到熱平衡前，器件在任意時(shí)刻均可通過(guò)結(jié)溫計(jì)算出此時(shí)器件的熱阻，此熱阻隨時(shí)間變化而變化，稱(chēng)為瞬時(shí)阻抗，即：

ZθJC=（9）

式中：TJ（t）為隨時(shí)間變化的結(jié)溫;TJ0為t=0 s時(shí)的結(jié)溫;PH為加熱功率。

根據(jù)上述定義，得到熱阻抗曲線[6]。

將器件直接與熱沉接觸以及將器件通過(guò)導(dǎo)熱硅膠與熱沉接觸，按照上述步驟得到兩條對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)熱阻抗曲線。對(duì)同一器件來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部熱量傳遞路徑是一樣的，不隨散熱條件的變化而變化，因此熱阻抗曲線也是一樣的。當(dāng)熱量傳遞到封裝表面以后，在不同散熱環(huán)境中的散熱路徑也不同，從而使得熱阻抗曲線發(fā)生變化。因此，兩條熱阻抗曲線的重合部分對(duì)應(yīng)的就是熱量在器件內(nèi)部傳遞路徑的熱阻，兩者的分離點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱阻就是結(jié)殼熱阻。

（4）根據(jù)器件熱阻值的大小確定結(jié)殼熱阻RthJC。通常有兩種方法用于確定結(jié)殼熱阻：對(duì)熱阻值不超過(guò)1 K/W的器件，其結(jié)殼熱阻可由熱阻抗曲線的分離點(diǎn)來(lái)確定，如圖2所示[5];對(duì)熱阻值大于1 K/W的器件，其結(jié)殼熱阻可由結(jié)構(gòu)函數(shù)的分離點(diǎn)來(lái)確定（結(jié)構(gòu)函數(shù)由熱阻抗曲線經(jīng)數(shù)學(xué)變換得到），如圖3所示。當(dāng)器件的熱阻值未知時(shí)，同時(shí)使用兩種方法測(cè)試，取兩者中的較大值。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文選擇的器件是上海韋爾半導(dǎo)體公司新開(kāi)發(fā)的p溝道單芯片MOSFET，暫時(shí)命名為PMOS1、PMOS2，測(cè)試電路板為標(biāo)準(zhǔn)1 inch覆銅熱測(cè)試板。

3.1? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，得到PMOS1和PMOS2在不同柵極電壓VGS下測(cè)得的熱阻值，如圖4所示。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，MOSFET的瞬態(tài)熱阻隨VGS絕對(duì)值的增加而減小，對(duì)于不同類(lèi)型的MOSFET結(jié)論是相同的，并且實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性。

3.2? ? 結(jié)果分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以從以下方面分析原因：

從電路的角度來(lái)看，通過(guò)改變柵極偏置電壓可以改變通道的導(dǎo)通電阻。以某一器件為例，其導(dǎo)通電阻特性如圖5所示，當(dāng)溝道完全打開(kāi)時(shí)，導(dǎo)通電阻從50 mΩ減小到14 mΩ。此外，基板和打線的電阻約為幾毫歐，對(duì)低導(dǎo)通電阻器件來(lái)說(shuō)，當(dāng)通道完全打開(kāi)時(shí)，基板和鍵合線可以從通道共享部分加熱功率，從而降低芯片的發(fā)熱量和熱阻。

MOSFET的導(dǎo)通電阻是由以下電阻串聯(lián)而成，因此導(dǎo)通電阻等于這些電阻的和[7]：

RON=RCS+RN+RCH+RA+RJFET+RD+RSUB+RCD（10）

其中源極接觸電阻RCS和漏極接觸電阻RCD由工藝條件決定，可以做得很小，可忽略不計(jì);并且源區(qū)和襯底的摻雜濃度高，電阻比較小，因此源區(qū)電阻RN和襯底電阻RSUB也可忽略不計(jì)。因此，導(dǎo)通電阻主要由溝道導(dǎo)通電阻RCH、JFET區(qū)電阻RJFET、累積層電阻RA和漂移區(qū)電阻RD組成，這些區(qū)域產(chǎn)生的熱量組成芯片內(nèi)部總的熱量。當(dāng)VGS增大時(shí)，RCH、RA都會(huì)相應(yīng)減小，從而芯片的發(fā)熱量減少。

在測(cè)試MOSFET的熱阻時(shí)，是以漏極、源極之間的寄生二極管的正向壓降VSD作為T(mén)SP，因此熱阻的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基區(qū)與漂移區(qū)之間的p-n接點(diǎn)，p-n結(jié)可以看作是“溫度計(jì)”。距離上，對(duì)于典型的MOSFET，導(dǎo)電通道與p-n結(jié)之間的距離總是比漂移區(qū)的距離短得多，導(dǎo)電通道比漂移區(qū)更接近p-n結(jié)，因此低擊穿電壓MOSFET沿導(dǎo)電通道的導(dǎo)通電阻分布較大，當(dāng)VGS增大時(shí)，導(dǎo)電通道電阻相應(yīng)減小，芯片的發(fā)熱量減少。

綜上所述，當(dāng)VGS增大時(shí)，器件的芯片發(fā)熱量減少，根據(jù)熱阻計(jì)算公式，芯片熱阻減小。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

對(duì)大多數(shù)溝道柵MOSFET而言，溝道和漂移區(qū)的物理尺寸對(duì)熱流的擴(kuò)散長(zhǎng)度有顯著影響。晶圓設(shè)計(jì)決定了MOSFET的電阻分布，也影響了瞬態(tài)熱阻[8]。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，具有高擊穿電壓、厚襯底、漂移區(qū)電阻高的芯片對(duì)瞬態(tài)熱阻測(cè)量中的柵極偏置不太敏感。分析表明，在短脈沖時(shí)間內(nèi)，芯片的瞬態(tài)熱性能不僅與封裝過(guò)程有關(guān)，還受到芯片結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)柵極偏置變化時(shí)，導(dǎo)電通道內(nèi)的峰值溫度點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，門(mén)柵溫度的變化也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電通道內(nèi)的峰值溫度的變化。從改變柵極電壓觀察熱阻測(cè)量的結(jié)果來(lái)看，柵極制造工藝、芯片尺寸、芯片內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的熱電學(xué)性能，包括溝槽、溝道、p-n結(jié)、基材，都會(huì)對(duì)器件的瞬態(tài)熱阻測(cè)量造成影響。

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收稿日期：2022-03-21

作者簡(jiǎn)介：劉超群（1993—），男，安徽人，在讀碩士研究生，研究方向：集成電路應(yīng)用。