基于結構函數的功率MOSFET 器件熱阻研究

肖 超，王立新

(中國科學院微電子研究所，北京 100029)

隨著半導體技術的飛速發展，對功率半導體器件的性能和集成度要求越來越高。這必然會帶來一個不可忽視的問題:散熱。如何將器件產生的熱量更好的散發出去，衡量功率器件本身散熱能力好壞的熱阻參數將變得非常重要。對于功率MOSFET器件，較小的器件熱阻變得越來越關鍵，并且對半導體制造商來說小的熱阻意味著強的市場競爭力［1］。而那些工作在熱安全工作區域附近的器件來說，僅僅給出器件熱阻的上限值已經遠遠不能滿足充分利用安全工作區域的要求［2］。因此，準確測試、分析功率MOSFET 器件熱阻具有重要意義。

在半導體技術領域，熱阻的常用測試方法有紅外掃描成像法和傳統電學測試法［3］。紅外掃描成像法能夠精確獲得芯片的溫度分布和熱阻參數，但是其設備復雜、成本高，并且是破壞性測試方法。傳統電學法是將待測器件(DUT)放在恒溫平臺上，并在器件和恒溫平臺之間涂上導熱硅脂使得熱偶和管殼接觸更充分，如圖1所示。

圖1 傳統電學法測熱阻示意圖

傳統電學法通常是測量器件的敏感參數(功率MOSFET 內部寄生二極管)獲得結溫Tj，用熱電偶測試器件殼溫Tc，從而間接獲得器件的瞬態熱阻參數，其測試方法簡單，效率高、成本低，并且是非破壞性測試方法。但熱傳導過程中功率MOSFET 器件的殼溫分布不均勻，熱電偶直接測試殼溫只能獲得局部某點的溫度，這會帶來測量誤差。Péter Szabó 等人通過SUNRED模擬［4］，發現管殼溫度分布并不均勻，這會導致比實際的熱阻值偏差達30%以上［5］。Oliver Steffens 等人的實驗也發現，即使前后兩次實驗器件在恒溫平臺的位置不完全一致時，兩次熱阻值的差別可達15%左右［6］。因此，傳統電學法在精度和一致性方面都較差。本文通過構造器件與恒溫平臺之間不同的接觸界面，利用結構函數來獲得功率MOSFET器件的結殼熱阻，避免了傳統電學法中直接測試器件殼溫而獲得結殼熱阻所帶來的誤差。

對于封裝半導體器件熱阻的分析，V.Szekely 等人首先利用結構函數理論對晶體管的熱阻特性進行了分析［7］，通過結構函數圖形，方便地獲得了晶體管的結構信息。高玉琳等采用結構函數的方法，對功率LED 器件帶不同二次散熱板的熱阻分布進行了研究［8］。莊鵬等應用結構函數，確定了功率LED器件各組成部分的的幾何尺寸和熱阻［9］。利用結構函數對功率MOSFET 器件熱阻特性進行分析，在同類文獻中還很少見。

本文利用結構函數，通過不同的實驗條件獲得積分結構函數的分離點來確定MOSFET 器件結殼熱阻，該方法與FE 建模仿真符合較好。同時，對不同批次同類型的MOSFET 器件的微分結構函數進行了對比，通過微分結構函數峰值的偏移來判斷不同批次工藝的好壞，并利用超聲波掃描(SAM)來證明兩批封裝器件在工藝上的差別。

1 實驗理論與過程

1.1 結構函數理論

V.Szekely 等提出了結構函數理論模型［10－12］。結構函數是通過對待測器件的瞬態熱阻曲線a(t)經過式(1)坐標變換，得到對數時間坐標系中的響應變量a(z):

根據物理定義:

以上各式中，R(z)稱為時間常數譜，?為卷積運算，c為單位體積熱容，λ為熱導率，A為熱流通過的橫截面積，C和R 稱為熱傳導路徑上節點兩端的熱容和熱阻，CΣ和RΣ為C和R 的累加值。將式(4)或式(5)在坐標系中表示出來就可獲得結構函數圖形。

結合式(5)，就可以推斷出:微分結構函數中波峰位置對應于熱導率高的材料層，波谷位置對應于熱導率低的材料層。因此，在積分結構函數或微分結構函數中，曲線變化的區域表示熱流經過了不同的材料層界面或者相交橫截面尺寸面積不同，由此可以利用積分或微分結構函數中的拐點位置判斷出不同材料層的熱阻。

1.2 實驗過程

本文實驗采用美國Phase11 熱阻測試儀，以表征熱問題的關鍵參數熱阻為基礎。將熱偶置于冷卻水管或恒溫平臺上，使其保持恒定溫度不變。第1次測試是在DUT(待測MOSFET 器件)與恒溫平臺之間沒有任何導熱材料的條件下測試積分結構曲線(圖2(a))，第2 次測試要求在DUT 與恒溫平臺之間涂一薄層導熱硅脂，如示意圖2 (b)。功率MOSFET 有關信息如表1所示。

圖2 本文提出的測試示意圖

表1 實驗測試條件與信息

另外，還選取了芯片和封裝相同而批次不同的器件進行了實驗，封裝器件和恒溫平臺之間都涂上導熱硅脂(如圖2(b)所示)。實驗樣品均為某種類型的功率MOSFET，只是生產批次不一樣。器件詳細信息如下表2。

表2 實驗測試條件與信息

2 實驗結論與分析

2.1 同一器件涂導熱硅脂與不涂導熱硅脂測試

我們依據不同的接觸界面(如圖2所示)測試了型號為A304 封裝形式為SMD－2 的功率MOSFET器件瞬態結溫，實驗過程中并沒有測試管殼任何一點的溫度。兩種情況下各測試了3 次，獲得的積分結構函數如圖3所示。

圖3 積分結構函數曲線

在圖3 中，器件管殼和恒溫平臺在不同的接觸條件下(涂和不涂導熱硅脂)分別測試3 次，熱阻小的3條曲線是涂了導熱硅脂的測試結果(圖3 左邊3 條曲線)，熱阻大的3 條曲線是沒有涂導熱硅脂的測試結果(圖3 右邊3 條曲線)，獲得的積分結構函數被放在同一圖中。在某一接觸條件下(如涂導熱硅脂)，3 次測試的曲線差別小于2%，說明實驗測試的一致性比較好。比較兩種情況下的積分結構曲線，管殼和恒溫平臺直接接觸所測熱阻要比接觸界面涂導熱硅脂所獲熱阻大2倍之多。兩種不同情下積分結構函數曲線在0.5K/W 以前符合很好，這進一步說明該測試技術重復性好，測試條件的不同(涂和不涂導熱硅脂等)并沒有對測試的一致性產生較大的影響。

因為積分結構函數曲線體現的是器件芯片到恒溫平臺導熱路徑上的結構信息，兩種情況下芯片到管殼的導熱路徑是完全相同的，不同之處在于管殼到恒溫平臺之間的導熱路徑，因此可以通過積分結構函數曲線開始發生分離的點來判斷管殼位置，所對應的橫坐標即為器件的結殼穩態熱阻，熱阻值為0.5 K/W(如圖3所示)。

圖4 中，建立了MOSFET 器件通過導熱硅脂接觸恒溫平臺的簡單FE模型(有限元模型)，管殼與恒溫平臺之間涂上導熱硅脂。芯片產生的熱流沿一維方向傳導到恒溫平臺，芯片加熱功率為55W，恒溫平臺固定為18℃。建模所用材料參數見表3所示。

圖4 一維簡單FM模型

表3 一維FM模型參數

圖5為Ansys 仿真獲得的溫度云圖。芯片處溫度最高為87℃，管殼溫度為63℃。FE 仿真獲得的熱阻值為0.44 K/W，與實驗方法獲得的0.5 K/W符合較好。

圖5 Ansys 仿真溫度云圖

2.2 芯片、封裝形式相同而封裝批次不同

該組實驗采用D005和D015 兩種不同批次的功率器件為研究對象。實驗獲得的微分結構函數如圖6所示。

圖6 微分結構函數曲線

圖6 中，對比了不同批次功率器件的微分結構曲線。根據結構函數理論，曲線上波峰對應于高導熱率材料層(如芯片或熱沉)，波谷區域對應的是導熱率低的結構層(如焊料層或空氣)。如圖6所示，兩批次功率器件芯片熱阻都為0.1 K/W，這與兩批次器件所用芯片相同有關。曲線上兩波峰之間的區域為導熱率低的焊料層，所對應的熱阻分別為0.2 K/W和0.4 K/W，兩條曲線的差別在于D015 曲線的第二個波峰向右發生了偏移，使得整個器件熱阻變大。

微分結構函數波峰的偏移可以用來表征封裝器件內部工藝的差別與好壞，這可以用超聲波掃描(SAM)來證明。對D005和D015 兩種封裝器件進行超聲波掃描(SAM)。獲得的結果如圖7所示。

圖7 D005和D015 封裝器件SAM 圖形

圖7 右邊D015 圖中白色氣泡為焊料層空洞，明顯比左圖D005 多，且空洞面積占整個焊料層面積較大，從而引起熱阻值加大。因此，可以從結構函數峰值的偏移來判斷封裝工藝的好壞，為器件篩選提供可靠、準確的依據。在器件優化設計上，應該選擇合適的封裝工藝，盡量減少焊料層空洞的形成，才能減小焊料層熱阻，從而減小整個封裝器件的熱阻值。

3 結語

結構函數(包括積分與微分結構函數)作為一種新型的分析封裝半導體功率器件熱特性的方法，可以很方便的獲得熱傳導路徑上不同材料層的熱阻。本文利用 Phase11 熱阻測試儀，在功率MOSFET 器件管殼與恒溫平臺之間涂導熱硅脂和不涂導熱硅脂，前后兩次測試同一器件的積分結構函數，兩次的熱傳導路徑僅在管殼和恒溫平臺之間有差異，表現在積分結構函數上為兩條曲線的分離，該分離點所對應的熱阻值就為整個器件的穩態結殼熱阻。并將該熱阻值與FE 仿真結果進行比較，結果符合較好。對比不同批次器件的微分結構函數，可以通過微分結構函數峰值的偏移來判斷封裝器件內部工藝的好壞。進一步的超聲波掃描發現，焊料層內部大面積的空洞引起了微分結構函數峰值的偏移。因此，可以通過微分結構函數峰值的偏移來篩選器件，為封裝工藝判斷提供方便、準確的指導。

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