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［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行開帽處理，易對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、測量迅速，且不易對器件造成破壞，但是測量過程中引入的誤差較多。本文將詳細論述電學(xué)法測量過程中引入誤差的主要環(huán)節(jié)，并提出得到較為準(zhǔn)確的測量值的方法。

1 功率VDMOS 熱阻測試原理

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］作為溫敏元件進行測量的，如圖1 所示。

圖1 n 溝VDMOS 結(jié)構(gòu)圖和電路符號

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，可得熱阻的計算公式:

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

2 熱阻測試中的誤差因素

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

2.1 測試電流Im 的選取

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試取點?？筛鶕?jù)器件的伏安特性曲線來選取，通常會選擇伏安特性曲線中正向電流開始明顯增大的拐點處附近的值作為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。對于不同芯片參數(shù)的功率VDMOS 器件來說，通常選取的測試電流是1 mA ～10 mA，合理地根據(jù)器件的電學(xué)參數(shù)找到合適的測試電流是實現(xiàn)熱阻精確測量的重要保證。

2.2 溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 的測量

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 值測量的關(guān)鍵在于溫度的精確控制。黃月強［16］、肖煒［17］、馬春雷［15］等人都在自己的研究中強調(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 min ～30 min 才能實現(xiàn)單個溫度點的平衡，而實驗通常需要采集多個溫度點，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際溫度的精確測量。因此，這里采用了一種新型的測量裝置。

圖2 是實驗中用到的溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 的測量裝置(也稱油浴加熱裝置)，該裝置具有以下幾點明顯的優(yōu)勢:

(1)由集成在熱阻分析儀中的模塊直接進行溫度控制，整個測試過程由電腦自動完成數(shù)據(jù)的采點和擬合。

(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)測試裝置

實驗中將器件的柵－漏短接，源－漏分別接正負電極(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，之后讓油鍋自然冷卻，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

該油浴加熱裝置實現(xiàn)了對溫度的精確控制，較多的測試采點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。

2.3 延遲時間Td

結(jié)壓降ΔVf是計算熱阻的關(guān)鍵參數(shù)，實驗中按照JESD51 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)下開一個非常短的去掉工作電壓和電流的測試窗口，快速測量結(jié)電壓Vf，測試電路如圖4 所示。

圖4 測試電路

測試步驟:

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通過待測器件直至器件達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，迅速將開關(guān)置于2，在測試電流IM下測定此時的正向壓降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通過待測器件直至器件達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，迅速將開關(guān)置于2，并在同樣測試電流Im下測定此時的正向壓降Vf2。

何曉菁［20］、李海［21］、莊鵬［9］等人在各自的研究中均對該法進行了描述，并對相關(guān)器件進行了測試，但對于該法在結(jié)溫測量過程中引入的誤差環(huán)節(jié)卻未提及。實際上誤差的主要來源是停止加熱功率后，轉(zhuǎn)換測試電流的響應(yīng)過程中存在的微秒級測試延遲時間Td(圖5)。延遲時間過短會引起電壓值的震蕩，而過長又會影響到Vf的精確測量。結(jié)電壓Vf隨時間的變化通常稱為冷響應(yīng)曲線，也可表示為結(jié)溫隨時間的變化，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 時刻)器件的結(jié)溫(圖6)。通常功率VDMOS 器件的測試延遲時間Td為10 μs ～30 μs。

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

圖5 測試時序圖

圖6 冷響應(yīng)曲線圖

采用兩線法測量Vf(圖7)，由于存在引線電阻，通過電流時會引起損耗，造成測量誤差，因此，我們采用更為精確的四線法進行測量(圖8)，壓降損耗主要是施加端的測試電流Im引起，而檢測端施加微安級小電流，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，實現(xiàn)了Vf的精確測量。

圖7 兩線法

圖8 四線法

2.4 加熱時間Tp

穩(wěn)態(tài)熱阻值的測量要求施加功率后器件處于熱平衡狀態(tài)，而能否達到熱平衡的關(guān)鍵因素便是功率加熱時間Tp。倘若Tp過短會導(dǎo)致熱量無法傳遞至參考點，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，而過長又會降低測試效率。李祖華［14］在對GaAs 功率MESFET 的功率加熱時間Tp的研究中發(fā)現(xiàn)，該器件的芯片熱阻在ms 級可測，器件熱阻在100 ms 級，穩(wěn)態(tài)熱阻為s 級;趙檜［22］等人則發(fā)現(xiàn)功率晶體管的結(jié)殼熱阻RJC測量所需的Tp為500 ms。因此為了選取合適的Tp，對不同封裝類型的VDMOS器件進行了測試，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、101、102這8 個時間點的熱阻值制成數(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間Tp的增加而持續(xù)增大，直至達到熱平衡狀態(tài)后便保持恒定，3 只樣品實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的最短時間分別是3.2 s、5.2 s、2.7 s，可見，不同封裝類型的器件達到熱平衡狀態(tài)所用的時間有所不同，通常情況下，保證精確測量的同時為了提高測試效率，功率加熱時間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)，常用的一種測量方法是將殼溫保持在恒定溫度下進行，難點在于要保證施加功率前后都要處于熱平衡狀態(tài)，即如何實現(xiàn)殼溫的恒定;另一種方法是測量結(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)，難點是如何準(zhǔn)確的測量出殼溫，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上，通過儀器上部的氣壓槍使管殼和平臺緊密接觸，該方法模擬器件實際熱傳導(dǎo)路徑，可以快速降溫，控溫精度較高。殼溫的恒定對于熱阻測試結(jié)果有著很重要的影響，舉例來說，針對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)熱阻測試中，其他測試條件不變，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 ℃，熱阻值的測量結(jié)果就要產(chǎn)生1%的誤差。

圖10 殼溫控制圖

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

表2 試驗數(shù)據(jù)表

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

2.6 參考結(jié)溫的選取

實驗中通常會將結(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［3］等人在研究GaAs 功率MESFET 時將器件結(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［16］等則認為125 ℃是測量IGBT 的最佳結(jié)溫?？梢姡煌骷趨⒖冀Y(jié)溫的選取上存在差異，實際上通過研究發(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)確的測試結(jié)果。

實驗中結(jié)溫一般會升至125 ℃，較高的參考結(jié)溫可以有效的減少測量誤差。Phase 11 型穩(wěn)態(tài)熱阻測試儀在選取測試延遲時間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 ℃，將誤差考慮進去計算一下其對測量結(jié)果的影響:

可見，不同參考結(jié)溫下的測量誤差值存在著差異，測量時應(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)確的熱阻測試結(jié)果。

(2)對于功率器件，最高結(jié)溫有的可以高達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 脈沖方波信號的選取

器件加熱使用的是脈沖信號，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實現(xiàn)了大功率LED 熱阻的測量，并對脈沖測量法進行了較為詳盡地描述，但它并未提及脈沖信號對于穩(wěn)態(tài)熱阻測試的影響，接下來通過功率VDMOS 器件研究其對穩(wěn)態(tài)熱阻的影響。

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

圖11 方波信號

圖12 脈沖寬度－熱阻曲線

實驗中選取了占空比為1%、2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%這8 種測試條件，對器件熱阻進行了測試。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間較長，測得的瞬態(tài)熱阻值相對較大。當(dāng)脈沖寬度足夠長的時候，測試結(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，不同的周期長度對測量結(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，到達最終熱平衡所用時間也較短，反之，占空比較低的信號則需要更長的時間才能實現(xiàn)熱平衡。但當(dāng)周期長度足夠長的時候(如圖13中的600 s 之后)，測試結(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。但低占空比下對應(yīng)的長周期意味著測試效率的顯著下降，而高占空比如果控制不當(dāng)易造成器件的熱燒毀，因此對于不同型號的功率VDMOS 器件要根據(jù)具體的實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;通過油浴裝置多點擬合出溫度校準(zhǔn)系數(shù)K;選取恰當(dāng)?shù)难舆t時間反推出器件結(jié)溫;精確控制管殼溫度，保證測試過程中溫度的恒定;選擇足夠長的功率加熱時間保證熱量完全傳遞至參考點。本文較為詳盡的按照功率VDMOS 穩(wěn)態(tài)熱阻測試步驟，列舉了影響測試精度的誤差來源，提出了較為準(zhǔn)確的校準(zhǔn)方法，并通過試驗數(shù)據(jù)對其進行了驗證，旨在實現(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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