功率VDMOS 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試的關(guān)鍵影響因素

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(diǎn)［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(píng)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(cè)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(cè)量器件工作時(shí)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(duì)器件進(jìn)行開帽處理，易對(duì)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(cè)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(cè)量迅速，且不易對(duì)器件造成破壞，但是測(cè)量過程中引入的誤差較多。本文將詳細(xì)論述電學(xué)法測(cè)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(cè)量值的方法。

1 功率VDMOS 熱阻測(cè)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(jìn)行測(cè)量的，如圖1 所示。

圖1 n 溝VDMOS 結(jié)構(gòu)圖和電路符號(hào)

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(jì)算公式:

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

2 熱阻測(cè)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(cè)試過程中很多因素都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。因此，為了保證測(cè)試結(jié)果的精確可靠，必須綜合考慮到測(cè)試誤差的各個(gè)來源并采取相應(yīng)的校對(duì)方法。測(cè)試誤差的主要來源包括:①測(cè)試電流Im;②溫度校準(zhǔn)系數(shù)K;③測(cè)試延遲時(shí)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(shí)間Tp;⑦脈沖方波信號(hào)選取。

2.1 測(cè)試電流Im 的選取

測(cè)量溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 之前，首先需要選取合適的測(cè)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(cè)試取點(diǎn)。可根據(jù)器件的伏安特性曲線來選取，通常會(huì)選擇伏安特性曲線中正向電流開始明顯增大的拐點(diǎn)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(duì)于不同芯片參數(shù)的功率VDMOS 器件來說，通常選取的測(cè)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(cè)試電流是實(shí)現(xiàn)熱阻精確測(cè)量的重要保證。

2.2 溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 的測(cè)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(cè)量的關(guān)鍵在于溫度的精確控制。黃月強(qiáng)［16］、肖煒［17］、馬春雷［15］等人都在自己的研究中強(qiáng)調(diào)了溫度系數(shù)精確測(cè)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(shí)現(xiàn)單個(gè)溫度點(diǎn)的平衡，而實(shí)驗(yàn)通常需要采集多個(gè)溫度點(diǎn)，故測(cè)試效率低;且控溫范圍較窄(30 ℃～120 ℃)，控溫精度偏低(±1 ℃)，測(cè)量過程中氣流的局部微小波動(dòng)也可能會(huì)影響到實(shí)際溫度的精確測(cè)量。因此，這里采用了一種新型的測(cè)量裝置。

圖2 是實(shí)驗(yàn)中用到的溫度校準(zhǔn)系數(shù)K 的測(cè)量裝置(也稱油浴加熱裝置)，該裝置具有以下幾點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì):

(1)由集成在熱阻分析儀中的模塊直接進(jìn)行溫度控制，整個(gè)測(cè)試過程由電腦自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采點(diǎn)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(duì)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(jiān)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(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)中將器件的柵－漏短接，源－漏分別接正負(fù)電極(N 型)，放入充滿硅油的校準(zhǔn)鍋內(nèi)，通以測(cè)試電流Im，加熱油鍋至要求的溫度(125 ℃)，整個(gè)測(cè)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(cè)量油溫作為器件的結(jié)溫，之后讓油鍋?zhàn)匀焕鋮s，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(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精確控制，較多的測(cè)試采點(diǎn)也保證了圖形的精確可靠，測(cè)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(cè)試提供了相對(duì)準(zhǔn)確的溫度校準(zhǔn)系數(shù)K。

2.3 延遲時(shí)間Td

結(jié)壓降ΔVf是計(jì)算熱阻的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中按照J(rèn)ESD51 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(gè)非常短的去掉工作電壓和電流的測(cè)試窗口，快速測(cè)量結(jié)電壓Vf，測(cè)試電路如圖4 所示。

圖4 測(cè)試電路

測(cè)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(cè)器件直至器件達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，迅速將開關(guān)置于2，在測(cè)試電流IM下測(cè)定此時(shí)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(cè)器件直至器件達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，迅速將開關(guān)置于2，并在同樣測(cè)試電流Im下測(cè)定此時(shí)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(duì)該法進(jìn)行了描述，并對(duì)相關(guān)器件進(jìn)行了測(cè)試，但對(duì)于該法在結(jié)溫測(cè)量過程中引入的誤差環(huán)節(jié)卻未提及。實(shí)際上誤差的主要來源是停止加熱功率后，轉(zhuǎn)換測(cè)試電流的響應(yīng)過程中存在的微秒級(jí)測(cè)試延遲時(shí)間Td(圖5)。延遲時(shí)間過短會(huì)引起電壓值的震蕩，而過長又會(huì)影響到Vf的精確測(cè)量。結(jié)電壓Vf隨時(shí)間的變化通常稱為冷響應(yīng)曲線，也可表示為結(jié)溫隨時(shí)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(shí)刻)器件的結(jié)溫(圖6)。通常功率VDMOS 器件的測(cè)試延遲時(shí)間Td為10 μs ～30 μs。

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

圖5 測(cè)試時(shí)序圖

圖6 冷響應(yīng)曲線圖

采用兩線法測(cè)量Vf(圖7)，由于存在引線電阻，通過電流時(shí)會(huì)引起損耗，造成測(cè)量誤差，因此，我們采用更為精確的四線法進(jìn)行測(cè)量(圖8)，壓降損耗主要是施加端的測(cè)試電流Im引起，而檢測(cè)端施加微安級(jí)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(shí)現(xiàn)了Vf的精確測(cè)量。

圖7 兩線法

圖8 四線法

2.4 加熱時(shí)間Tp

穩(wěn)態(tài)熱阻值的測(cè)量要求施加功率后器件處于熱平衡狀態(tài)，而能否達(dá)到熱平衡的關(guān)鍵因素便是功率加熱時(shí)間Tp。倘若Tp過短會(huì)導(dǎo)致熱量無法傳遞至參考點(diǎn)，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，而過長又會(huì)降低測(cè)試效率。李祖華［14］在對(duì)GaAs 功率MESFET 的功率加熱時(shí)間Tp的研究中發(fā)現(xiàn)，該器件的芯片熱阻在ms 級(jí)可測(cè)，器件熱阻在100 ms 級(jí)，穩(wěn)態(tài)熱阻為s 級(jí);趙檜［22］等人則發(fā)現(xiàn)功率晶體管的結(jié)殼熱阻RJC測(cè)量所需的Tp為500 ms。因此為了選取合適的Tp，對(duì)不同封裝類型的VDMOS器件進(jìn)行了測(cè)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(diǎn)、101、102這8 個(gè)時(shí)間點(diǎn)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(shí)間Tp的增加而持續(xù)增大，直至達(dá)到熱平衡狀態(tài)后便保持恒定，3 只樣品實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的最短時(shí)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(dá)到熱平衡狀態(tài)所用的時(shí)間有所不同，通常情況下，保證精確測(cè)量的同時(shí)為了提高測(cè)試效率，功率加熱時(shí)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(cè)量方法是將殼溫保持在恒定溫度下進(jìn)行，難點(diǎn)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(shí)現(xiàn)殼溫的恒定;另一種方法是測(cè)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(diǎn)是如何準(zhǔn)確的測(cè)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(shí)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(tái)上，通過儀器上部的氣壓槍使管殼和平臺(tái)緊密接觸，該方法模擬器件實(shí)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(duì)于熱阻測(cè)試結(jié)果有著很重要的影響，舉例來說，針對(duì)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(cè)試中，其他測(cè)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(cè)量結(jié)果就要產(chǎn)生1%的誤差。

圖10 殼溫控制圖

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

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

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

2.6 參考結(jié)溫的選取

實(shí)驗(yàn)中通常會(huì)將結(jié)溫升至125 ℃來計(jì)算器件熱阻，對(duì)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(shí)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(qiáng)［16］等則認(rèn)為125 ℃是測(cè)量IGBT 的最佳結(jié)溫?？梢?，不同器件在參考結(jié)溫的選取上存在差異，實(shí)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(gè)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(cè)試結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中結(jié)溫一般會(huì)升至125 ℃，較高的參考結(jié)溫可以有效的減少測(cè)量誤差。Phase 11 型穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試儀在選取測(cè)試延遲時(shí)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(jìn)去計(jì)算一下其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響:

可見，不同參考結(jié)溫下的測(cè)量誤差值存在著差異，測(cè)量時(shí)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(cè)試結(jié)果。

(2)對(duì)于功率器件，最高結(jié)溫有的可以高達(dá)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(hào)的選取

器件加熱使用的是脈沖信號(hào)，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(hào)實(shí)現(xiàn)了大功率LED 熱阻的測(cè)量，并對(duì)脈沖測(cè)量法進(jìn)行了較為詳盡地描述，但它并未提及脈沖信號(hào)對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試的影響，接下來通過功率VDMOS 器件研究其對(duì)穩(wěn)態(tài)熱阻的影響。

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

圖11 方波信號(hào)

圖12 脈沖寬度－熱阻曲線

實(shí)驗(yàn)中選取了占空比為1%、2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%這8 種測(cè)試條件，對(duì)器件熱阻進(jìn)行了測(cè)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(shí)間較長，測(cè)得的瞬態(tài)熱阻值相對(duì)較大。當(dāng)脈沖寬度足夠長的時(shí)候，測(cè)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(duì)測(cè)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(cè)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(dá)最終熱平衡所用時(shí)間也較短，反之，占空比較低的信號(hào)則需要更長的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)熱平衡。但當(dāng)周期長度足夠長的時(shí)候(如圖13中的600 s 之后)，測(cè)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(duì)應(yīng)的長周期意味著測(cè)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(duì)于不同型號(hào)的功率VDMOS 器件要根據(jù)具體的實(shí)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(cè)試精度，應(yīng)根據(jù)器件性能選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試電流;通過油浴裝置多點(diǎn)擬合出溫度校準(zhǔn)系數(shù)K;選取恰當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間反推出器件結(jié)溫;精確控制管殼溫度，保證測(cè)試過程中溫度的恒定;選擇足夠長的功率加熱時(shí)間保證熱量完全傳遞至參考點(diǎn)。本文較為詳盡的按照功率VDMOS 穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試步驟，列舉了影響測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，旨在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熱阻的精確測(cè)量，為功率VDMOS 熱阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供參考和借鑒。

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