用結構函數(shù)法測量GaN HEMT與夾具的界面層熱阻

翟玉衛(wèi)，梁法國，鄭世棋，劉 巖，吳愛華，喬玉娥，劉霞美

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

基于GaN材料的高電子遷移率場效應管（high electron mobility transistor，HEMT）已經(jīng)開始廣泛應用于雷達等大功率場合[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，準確測量其熱阻參數(shù)對GaN HEMT有著重要的意義。

GaN HEMT一般由多層材料組成，傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱阻測試多關注于結殼熱阻或結到環(huán)境的熱阻[3]，不能有效檢測各層材料的熱阻，而各層材料的熱阻對器件的熱設計、失效分析非常重要。近年來，能夠檢測器件不同層材料熱阻的結構函數(shù)方法在功率器件、LED等產(chǎn)品的熱設計、可靠性分析等方面得到了廣泛的應用[4-7]。結構函數(shù)法需要首先獲取被測器件的降溫曲線，根據(jù)獲取降溫曲線的數(shù)量的不同可以分為傳統(tǒng)單界面法和雙界面法[8]，總之，結構函數(shù)熱阻測量方法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及其變化[9-10]。

目前，結構函數(shù)法測量熱阻多數(shù)都采用電學敏感參數(shù)（TSP）法測量降溫曲線。但是，由于GaN器件的肖特基結的非線性變化[11]及GaN HEMT器件的自激導致TSP法應用受到了限制。針對該問題，劉巖[12]、翟玉衛(wèi)等[13]利用瞬態(tài)紅外測溫裝置實現(xiàn)了對雙界面條件下降溫曲線的測量，進而通過結構函數(shù)法分析得到了GaN HEMT的結殼熱阻。

另一個與GaN HEMT熱阻測試一般都是將被測件固定在測試夾具上進行的，器件和夾具之間的界面層材料多數(shù)是導熱硅脂或其他導熱材料。因此，準確測量界面層材料的熱阻能夠指導器件使用人員合理地選擇界面材料，從而保證器件工作在可靠的結溫下。

為了解決上述問題，本文依據(jù)瞬態(tài)雙界面法獲取降溫曲線，采用改進的顯微紅外熱像儀和結構函數(shù)算法實現(xiàn)對器件和夾具的界面熱阻的測量。

1 實驗詳情

1.1 實驗方法

實際的半導體器件的熱傳導都不能滿足一維熱傳導的理想條件，并且由于結構函數(shù)計算過程中引入了反卷積算法和濾波算法，導致結構函數(shù)曲線無法準確地分辨各層材料的分界點和熱阻值[14]，只能進行半定量的觀察。為了更加準確地測量結殼熱阻，JEDEC在2010年推出JESD51-14Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junction-to-case of semiconductor devices with heat flow through a single path[8]，其中定義了瞬態(tài)雙界面法 （transient dual interface test method，TDIM），專門用于結殼熱阻的測量。該方法的基本原理是，在相同的功耗條件下，器件各部分的熱阻和熱容值是固定的，此時如果管殼與熱沉之間的接觸材料發(fā)生變化，結構函數(shù)曲線必然發(fā)生分離，因此，可以根據(jù)分離點的位置確定結殼熱阻，如圖1所示，K是熱容對熱阻的偏微分。

圖1 雙界面法測量結殼熱阻

上述方法只對結殼熱阻的測量進行了規(guī)定。由于雙界面法測量過程中只有管殼和夾具的接觸層發(fā)生了變化，所以除了結殼熱阻之間的曲線是重合的，夾具到熱沉之間的曲線也應該是重合的，所以，根據(jù)雙界面法判斷結殼熱阻分離點的方法，分兩次將結殼熱阻分離點和夾具熱沉的分離點進行提取，可較為準確地確定管殼與夾具界面層的熱阻。

1.2 實驗過程

結構函數(shù)法熱阻的測量首先需要采用高速測溫的技術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）。為了消除GaN器件自激等問題，本文采用文獻[12-13]中提出的改進型紅外測溫裝置測量降溫曲線。

被測件為典型的GaN/Al GaN HEMT器件，其源漏電壓28V，源漏電流1.428 A，選取峰值結溫點進行降溫曲線的測量。采用一套匹配測試夾具降低自激效應。被測件通過螺釘固定在夾具內，夾具穩(wěn)定安放在水冷控溫臺（熱沉）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。水冷控溫臺溫度設定為70℃，其最大散熱功率為200W。

在兩種管殼接觸熱阻狀態(tài)下測量降溫曲線，如圖2所示。1）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；2）擦去器件管殼與夾具接觸面之間的導熱脂，使其介質為空氣，測量一次降溫曲線。將測得的降溫曲線輸入結構函數(shù)算法軟件中得到反映結構熱阻特性的積分結構函數(shù)曲線。兩次測得的降溫曲線如圖3所示。

圖2 兩種熱接觸狀態(tài)

圖3 兩種降溫曲線

2 結果分析

利用結構函數(shù)算法對圖3中兩種管殼接觸熱阻條件下的降溫曲線進行分析，得到的微分和積分結構函數(shù)曲線如圖4所示?？梢钥吹?，兩種狀態(tài)下的積分結構函數(shù)曲線與微分函數(shù)曲線都與理論曲線有著很大區(qū)別，無法直接由這些結構曲線確定器件各部分材料的熱阻和熱容值。

圖4 兩種狀態(tài)下的結構函數(shù)曲線

根據(jù)JESD51-14中規(guī)定的分離點確定算法，可以由圖4中兩條積分結構函數(shù)曲線確定結殼熱阻分離點為1.078K/W，如圖5所示。

圖5 兩種狀態(tài)下的積分結構函數(shù)曲線

可以看到，兩條積分結構函數(shù)曲線所反映的熱阻有著明顯的差異。管殼界面材料為導熱硅脂的曲線總熱阻R1小于管殼界面材料為空氣時的總熱阻R2，這是由于導熱硅脂的導熱性比空氣好，其熱阻小；而在0～1.078K/W之間兩條曲線基本重合，表明兩次測量過程中在這個熱阻范圍內熱流經(jīng)過的路徑是相同的。根據(jù)圖2的結構可見，兩次降溫曲線測量過程中只有管殼于夾具接觸層材料發(fā)生了變化，芯片層到管殼層的材料結構是不變的，所以其熱阻和熱容應該是完全一致的，證明圖5的結果是正確的。因此，可確定該器件的結殼熱阻Rj-c是1.078K/W。

當圖5中熱阻大于結殼熱阻時，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，導熱硅脂熱阻小于空氣，所以兩條結構函數(shù)曲線的接觸熱阻層發(fā)生了變化。但是，兩次測量中夾具層、夾具界面層和熱沉都沒有發(fā)生變化，所以根據(jù)雙界面法的原理，兩條結構函數(shù)曲線代表上述熱阻的部分即曲線的尾部應該是重合的。對圖5的曲線進行橫向平移，得到如圖6所示的結果。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Rf-s，與理論預期是一致的。采用確定結殼熱阻的方法確定Rf-s的分離點，得到Rf-s為0.404K/W。則兩個分離點之間的熱阻就是管殼與測試夾具界面層的熱阻。圖6中確定了界面材料為空氣介質時的界面材料熱阻為1.105K/W。參照上述做法同樣可得到導熱硅脂的熱阻為0.657K/W。

圖6 平移后的積分結構函數(shù)曲線

根據(jù)瞬態(tài)雙界面法原理，兩種狀態(tài)下總熱阻的差是由接觸熱阻不同引起的，也就是說接觸熱阻之差應該等于總熱阻之差。這里得到的結果顯示界面材料熱阻之差為0.448 3K/W，兩條曲線總熱阻之差為0.448K/W，二者一致，證明本方法準確。

3 結束語

采用改進的顯微紅外熱像儀獲得了典型GaN HEMT器件在兩種管殼界面材料條件下的降溫曲線，利用結構函數(shù)法得到其結構函數(shù)曲線。參照JESD51-14中提出的瞬態(tài)雙界面法，分別確定了結殼熱阻分離點和夾具到熱沉的熱阻分離點，利用總熱阻減去結殼熱阻和夾具到熱沉的熱阻就可以實現(xiàn)對管殼與夾具界面材料熱阻的測量。

[1]ZHANG Y M，F(xiàn)ENG S W，ZHU H，et al.Assessment of pulse conditions effects on reliability in GaN-based high electron mobility transistors by transient temperature measurements[J].Journal of Applied Physics，2013，114（9）：988.

[2]JOH J，DEL ALAMO J A，CHOWDHURY U，et al.Measurementofchanneltemperaturein GaN highelectron mobility transistors[J].IEEE Trans Electron Devices，2009，56（12）：2895-2901.

[3]Electronic industries association.Integrated circuit thermal measurement method-electrical test method：JESD 51-1[S].Arlington Electron Industries Alliance，1995.

[4]SHWETA N，MINSEOK H，SAMUEL G.Measuring the thermalresistance in lightemitting diodes using a transient thermal analysis technique[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2013，60（8）：2548-2555.

[5]ZHANG Y M，F(xiàn)ENG S W，ZHU H，et al.Effect of self-heating on the drain current transient response in a Al GaN/GaN HEMTs[J].IEEE Electron Device Letters，2014，35（3）：345-347.

[6]FARKAS G.Thermal transient characterization of semiconductor devices with programmed powering[C]∥IEEE SemiconductorThermalMeasurement& Management Symposium.IEEE，2013.

[7]肖超，王立新.基于結構函數(shù)的功率MOSFET器件熱阻研究[J].電子器件，2012，35（5）：489-492.

[8]Jedec solid state technology association.Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junction-to-caseofsemiconductordevices with heat flow through a single path：JESD51-14[S].Arlington Electron Industries Alliance，2010.

[9]HEINZ P，DIRK S，LIU C，et al.Development of a standard for transient measurement of junction-to-case thermal resistance[J].Microelectron Rel，2012，52（7）：1272-1278.

[10]DIRK S，HEINZ P，LIU C，et al.Transient dual interface measurement-a new JEDEC standard for the measurement of the junction-to-case thermal resistance[C]∥IEEE Semiconductor Thermal Measurement&Management Symposium.IEEE，2011.

[11]KILLAT N，KUBALL M.Temperature assessment of Al GaN/GaN HEMTs：A comparative study by raman electrical and IR thermography[C]∥IEEE International Reliability Physics Symposium（IRPS）.IRPS，2010.

[12]劉巖，翟玉衛(wèi)，范雅潔，等.基于紅外測溫技術的微波功率器件降溫曲線測量系統(tǒng)[J].光學儀器，2016，38（2）：100-105.

[13]ZHAI Y W，LIANG F G，GUO C S，et al.Transient dual interface measurement of junction-to-case thermal resistance in Al GaN/GaN HEM tutilizing an improved Infrared Microscope[J].Microelectron Reliability，2016，66：52-57.

[14]DIRK S，HEINZ P，LIU C.Transient measurement of the junction-to-case thermal resistance using structure functions： chances and limits[C]∥IEEE Semiconductor Thermal Measurement&Management Symposium.IEEE，2008.