翟玉衛(wèi),梁法國,吳愛華,鄭世棋,喬玉娥,劉霞美

(中國電子科技集團公司第十三研究所,石家莊 050051)

基于紅外測溫的GaNHEMT器件結(jié)構(gòu)函數(shù)法熱阻測量

翟玉衛(wèi),梁法國*,吳愛華,鄭世棋,喬玉娥,劉霞美

(中國電子科技集團公司第十三研究所,石家莊 050051)

為了準確的測量GaN HEMT的熱阻參數(shù),在兩種不同的管殼接觸熱阻條件下,利用經(jīng)過改進的顯微紅外熱像儀測量了GaN HEMT的降溫曲線。采用結(jié)構(gòu)函數(shù)算法對兩種降溫曲線進行分析,得到了反映器件各層材料熱阻的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。當管殼接觸層由空氣變化為導熱硅脂時,積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線發(fā)生了變化。通過結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線能夠明確區(qū)分被測件不同層的熱阻?？梢詫⒈粶y件的分成7層結(jié)構(gòu),與器件真實結(jié)構(gòu)基本一致。

熱阻測量;結(jié)構(gòu)函數(shù);紅外測溫;熱阻;GaN HEMT;降溫曲線

基于GaN材料的高電子遷移率場效應管(HEMT)具有較高的禁帶寬度、較高的電子遷移率,使其在高頻、高電壓和高功率密度方面的應用有著比較突出的優(yōu)勢,已經(jīng)被廣泛用于大功率脈沖雷達和空中交通管制系統(tǒng)等[1-2]。然而,由于GaN HEMT較高的功率密度,可能導致嚴重的自熱效應,準確的測量和評估其溫度和熱阻等熱特性參數(shù)對GaN HEMT的性能和可靠性評定非常重要。

傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱阻測試多關(guān)注于結(jié)殼熱阻或結(jié)到環(huán)境的熱阻[3]。近年來,能夠檢測器件結(jié)構(gòu)熱阻特性的結(jié)構(gòu)函數(shù)方法在功率器件、LED等產(chǎn)品的熱設(shè)計、可靠性分析等方面得到了廣泛的應用[4-7]。結(jié)構(gòu)熱阻檢測基于降(升)溫曲線測量和結(jié)構(gòu)函數(shù)分析,該方法不僅可以確定結(jié)殼熱阻或結(jié)到環(huán)境的熱阻,還可以給出器件縱向不同層材料,如:芯片層、粘接層、管殼層、接觸層等各層的熱阻特性[8-11],簡稱結(jié)構(gòu)熱阻。結(jié)構(gòu)熱阻對器件的熱設(shè)計、失效分析非常重要,當器件某層材料結(jié)構(gòu)或其熱阻特性發(fā)生變化時,結(jié)構(gòu)熱阻曲線能夠直觀的將這個變化反映出來。

目前結(jié)構(gòu)函數(shù)法熱阻的測量基本都采用電學敏感參數(shù)(TSP)法,測量被測功率器件降溫曲線。但是,對于GaN HEMT而言,電學敏感參數(shù)法(一般采用正向肖特基結(jié)的電壓)的應用受到了一些限制,這主要是由于GaN器件的肖特基結(jié)的特性會在測量過程中發(fā)生非線性的變化[12],另一個可能的原因是電學法測試需要在測量電路和加熱電路之間進行切換,容易導致器件自激甚至燒毀。

在GaN HEMT熱特性測量領(lǐng)域應用最廣的技術(shù)手段是顯微紅外熱像儀。其特有的發(fā)射率修正功能,使得其可以測量器件表面各種材料的真實溫度,而不需要采用黑體涂料等手段去提高發(fā)射率[13]。但是,傳統(tǒng)的顯微紅外熱像儀只能測周期性重復的瞬態(tài)溫度信號,不具備降(升)溫曲線的測量能力[14-16]。

為了解決上述問題,對顯微紅外熱像儀進行了改進,成功測得了降溫曲線,進行結(jié)構(gòu)函數(shù)分析后,完成了對GaN HEMT結(jié)構(gòu)熱阻的檢測。

1 實驗詳情

1.1 結(jié)構(gòu)函數(shù)的基本理論

熱阻對GaN功率器件是一個非常重要的參數(shù),此類器件由多層材料構(gòu)成,如圖1所示。各層材料都對應著各自的熱阻。如芯片層熱阻、粘接層熱阻、管殼熱阻、導熱硅脂熱阻(管殼與熱沉的接觸熱阻)、熱沉熱阻等。

圖1 半導體器件熱阻

常規(guī)的熱阻測試標準或方法(如Mil std 833、JESD51及GJB548等)多關(guān)注于測量結(jié)到殼的熱阻,但是,結(jié)殼熱阻只是器件總體熱阻的一部分,對于器件的熱設(shè)計,知道各層材料的熱阻也是非常重要的。

基于結(jié)構(gòu)函數(shù)法的電學熱阻測量技術(shù)理論上能夠測量包括接觸熱阻在內(nèi)的各層材料的熱阻,如圖2所示。其基本原理是,不同層材料的熱阻熱容特性不同,圖2所示的曲線的斜率也會不同,因此可以通過曲線斜率的層級對應器件的層級得到各層的熱阻(圖2中變化部分為粘接層的熱阻)。

圖2 理想情況下積分結(jié)構(gòu)函數(shù)與熱阻之間的關(guān)系

但是,上述方法的一個重要前提是器件的熱傳導是一維的,即只是從結(jié)向下傳播,實際的器件的熱傳導都是三維的,導致各層的曲線斜率變化不會像圖2中那樣明確,一般都是如圖3所示,結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線不同斜率都是連續(xù)變化的。

圖3 實際情況下積分結(jié)構(gòu)函數(shù)與熱阻之間的關(guān)系

1.2 實驗過程

1.2.1 測試儀器

結(jié)構(gòu)熱阻的測量首先需要采用高速測溫的技術(shù)手段或儀器測量被測件的降(升)溫曲線(多數(shù)采用降溫曲線),然后利用結(jié)構(gòu)函數(shù)算法對降溫曲線進行反卷積運算,得到一條積分或微分曲線,從曲線的斜率或者峰值就基本可以判斷各層材料的熱阻。為了實現(xiàn)對降溫曲線的測量,對顯微紅外熱像儀進行了改進,測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。相對于傳統(tǒng)的顯微紅外熱像儀,該測試系統(tǒng)的改進是開發(fā)了一套高速數(shù)據(jù)采集裝置,該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對非周期性溫度信號的測量,這個功能是原有熱像儀所不具備的[17]。為了實現(xiàn)上述功能,該系統(tǒng)采用具有14位分辨率的NI5122型高性能數(shù)據(jù)采集卡對紅外探測器輸出信號進行高速采樣,系統(tǒng)采樣率選擇10 Msample/s。

圖4 改進的瞬態(tài)紅外設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖

1.2.2 被測件準備

被測件為典型的GaN/AlGaN HEMT器件,其源漏電壓28 V,源漏電流1.428 A,選取被測件上溫度最高的區(qū)域進行降溫曲線的測量。采用一套匹配測試夾具降低電子干擾和自激效應。被測件通過螺釘固定在夾具內(nèi),夾具穩(wěn)定安放在水冷控溫臺上,夾具底面與控溫臺之間涂抹一層導熱脂,保證二者具有良好的熱接觸。水冷控溫臺溫度設(shè)定為70 ℃,其最大散熱功率為200 W,溫度準確度為1 ℃。

圖5 兩種熱接觸狀態(tài)

在兩種管殼接觸熱阻狀態(tài)下測量降溫曲線,如圖5所示。首先,在器件管殼與夾具接觸面之間涂抹導熱脂,測量一次降溫曲線;第2步,擦去器件管殼與夾具接觸面之間的導熱脂,使其介質(zhì)為空氣,測量一次降溫曲線。將測得的降溫曲線輸入結(jié)構(gòu)函數(shù)算法軟件中得到反映結(jié)構(gòu)熱阻特性的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。

具體測試過程如下:首先,保持器件處于恒定的耗散功率下;器件溫度穩(wěn)定后,啟動數(shù)據(jù)采集裝置開始測量;給器件斷電;數(shù)據(jù)采集裝置工作120 s后停止采集。最終得到降溫曲線,如圖6所示。

圖6 兩種降溫曲線

相較于正向肖特基電壓等電學敏感參數(shù)法(TSP),紅外測量系統(tǒng)與被測件沒有電接觸,不會影響器件的工作狀態(tài);也不需要在加熱電路和測量電路之間進行切換,降低了器件的自激;同時可以直接測量器件降溫曲線的初始溫度,不需要像電學法一樣采用曲線擬合的方式得到初始溫度,一定程度上保證了準確度。

2 結(jié)果和討論

采用了測試夾具消除器件的自激和實現(xiàn)良好的電學匹配,實際的熱傳導途徑上材料組成如圖7所示,自上而下可分為芯片層、金錫焊料層、管殼層、管殼接觸層、夾具層(銅)、夾具接觸層(導熱脂)和熱沉(水冷散熱片)。

圖7 器件結(jié)構(gòu)

圖8 兩種積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線

兩條降溫曲線對應著不同的管殼接觸層,可以預見,結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線在管殼接觸層部分必然會發(fā)生變化。利用結(jié)構(gòu)函數(shù)算法對兩種管殼接觸熱阻條件下的降溫曲線進行分析,得到的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)如圖8所示。

可以看到,在0～1.078 K/W之間兩條曲線基本重合,這代表兩次測量過程中在這個熱阻范圍內(nèi)熱流經(jīng)過的路徑是相同的。根據(jù)圖7的結(jié)構(gòu)可見,兩次降溫曲線測量過程中只有管殼接觸層發(fā)生了變化,芯片層到管殼層的材料結(jié)構(gòu)是不變的,所以其熱阻和熱容也應該是完全一致的,證明圖8的結(jié)果是正確的。這是JESD 51-14成立的基本理論依據(jù),因此,該器件的結(jié)殼熱阻是1.078 K/W。

當熱阻大于結(jié)殼熱阻時,兩條曲線發(fā)生了分離,這是因為管殼接觸材料發(fā)生了變化,導熱硅脂熱導率高于空氣,熱阻小于空氣,所以兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的接觸熱阻層發(fā)生了變化,且接觸材料為導熱硅脂的總熱阻小于接觸材料為空氣的總熱阻。

另外,兩次測量中只有管殼接觸層材料發(fā)生了變化,夾具層、夾具接觸層和熱沉都沒有發(fā)生變化,所以兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的代表上述熱阻的部分及曲線的尾部應該是重合的,對圖8的曲線進行橫向平移,得到如圖9所示的結(jié)果。兩條曲線的尾部是重合在一起的,重合的部分代表管殼接觸層下未發(fā)生改變的部分的熱阻,與理論預期是一致的。

圖9 平移后的兩種積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線

由上述分析結(jié)果可知,當被測件縱向熱傳導路徑上某層材料發(fā)生變化時,通過紅外測溫得到的降溫曲線及其結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線會發(fā)生明顯的變化,尤其是積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線能夠?qū)l(fā)生變化的材料所處的位置也體現(xiàn)出來。當器件某層結(jié)構(gòu)發(fā)生缺陷時,就可以通過積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對缺陷層進行定位。這說明,采用紅外設(shè)備測量GaN HEMT降溫曲線的方法可以得到各層材料的結(jié)構(gòu)熱阻。

在此基礎(chǔ)上,根據(jù)結(jié)構(gòu)熱阻測量的基本原理,積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的斜率改變就意味著材料發(fā)生了變化,可以將管殼接觸熱阻為導熱脂的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線分為如圖10所示的7個部分。

與被測件實際的熱傳導路徑結(jié)構(gòu)相比,二者基本一致。但是,圖10沒有將芯片層各層材料熱阻區(qū)分開,只是得到了芯片層整體熱阻。分析其原因,被測件芯片層熱阻較小,需要降溫曲線的時間分辨率非常高才有可能區(qū)分芯片和焊料,這里采用的改進過的紅外熱像儀的最高時間分辨率為0.1 ms,相對于電學法最高1μs的采樣間隔,可能不足以將芯片層熱阻反映出來。

圖10 確定器件分層

3 結(jié)論

用改進的顯微紅外熱像儀測量了典型GaN HEMT降溫曲線,并通過結(jié)構(gòu)函數(shù)法分析得到了器件的結(jié)構(gòu)熱阻。通過測量不同的管殼接觸熱阻條件下的結(jié)構(gòu)熱阻確認了采用本方法可以檢測GaN HEMT的各層材料的熱阻及其變化。該方法避免了基于電學法容易誘發(fā)GaN器件自激的缺點,能夠測量任何工作條件下GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)熱阻,這是其最大的優(yōu)點。

由于噪聲的干擾,測量系統(tǒng)的時間分辨率為0.1 ms,因此,本方法不能準確區(qū)分芯片層和焊料層,目前也無法區(qū)分熱阻較小的材料。因此,后續(xù)將繼續(xù)在降低紅外測溫噪聲,提高降溫曲線時間分辨率方面進行進一步的研究,以實現(xiàn)對芯片熱阻的檢測。

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ThermalResistanceMeasurementforGaNHEMTUtilizingStructureFunctionMethodBasedonIRTemperatureTest

ZHAIYuwei,LIANGFaguo*,WUAihua,ZHENGShiqi,QIAOYu’e,LIUXiamei

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

In order to measure the thermal resistance of GaN HEMT accurately,under two different thermal contact conditions between case and fixture,cooling curves were measured using an improved IR microscope,respectively. Structure function method was used to deal with the cooling curves,the cumulative structure function curves which show the thermal resistances of layers in GaN HEMT were obtained. When the material between case and fixture was changed from air to thermal grease,the cumulative structure function curves changed obviously. Thermal resistance of different layers of DUT can be distinguished from structure function curves,the DUT was divided into a 7 layers structure,that was approximately consistent with the real device structure.

thermal resistance measurement;structure function;infrared temperature test;thermal resistance;GaN HEMT;cooling curve

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.002

2016-09-01修改日期2016-10-17

TN325.3

A

1005-9490(2017)05-1060-05

翟玉衛(wèi)(1983-),男,河北石家莊人,工學碩士,工程師,主要從事半導體器件熱可靠性檢測與分析方面的研究工作,kaoyan071@126.com。

梁法國(1983-),男,山東聊城人,碩士,研究員級高工,主要從事微電子計量測試方面的研究工作,liangdao@163.com。