耗散功率與環境溫度對功率VDMOS熱阻的影響分析

董晨曦，王立新

(中國科學院微電子研究所，北京100029)

功率VDMOS器件因其具有高輸入阻抗、開關速度快等諸多優點［1］，近些年發展迅速，但作為功率器件，較大的驅動電流將產生很大的熱量，隨著結溫的升高，將嚴重影響器件的可靠性和使用壽命。因此，如何準確的評估器件熱性能優劣就顯得非常重要了，而熱阻值就是衡量器件熱性能好壞的重要參數。

通常，我們在考察器件熱特性時，容易將熱阻值看成恒定不變的常量。但實際上，器件熱阻值并不是固定不變的，它會隨諸多因素的變化而變化，如耗散功率、環境溫度、器件類型、芯片布局，封裝方法等。本文通過對比性試驗，著重分析了功率VDMOS器件穩態熱阻值與耗散功率及環境溫度之間的變化關系，并對該變化關系進行了合理的解釋。

1 熱阻測試基本原理

熱阻定義 在熱平衡條件下，沿器件熱流通道上的溫度差與產生溫差的耗散功率之比［2］:

式中Rθjc為結到管殼的熱阻(℃/W或K/W);Tj為結溫;Tc為殼溫;PH是耗散功率。其中，PH可通過儀器讀出，因此，結溫Tj和殼溫Tc的測量便是熱阻測試的關鍵。

1.1 結溫Tj測量原理

通常，由于封裝的密封完整性，很難直接獲得器件的結溫。因此便需要通過電學法測量器件內部的溫度敏感元件，從而間接實現結溫的測量。功率VDMOS主要利用源-漏間寄生PN結二極管作為溫敏元件，通過對結電壓Vf的測量，間接的獲取器件結溫Tj(圖1)。

圖1 n溝VDMOS結構圖和電路符號

小電流條件下，半導體PN結結溫變化ΔTj與正向結電壓變化ΔVf呈良好線性關系［4］，用溫度校準系數為K來表示。滿足關系式:

由式(2)可知，結溫測量的重點就是溫度校準系數K以及結壓降ΔVf的測定。

1.1.1 溫度校準系數測量

溫度校準系數K表征的是結電壓隨溫度的變化。測量裝置(油浴加熱裝置)見圖2，該裝置采用高熱導率且電絕緣的液態礦物油作為傳熱媒介給器件加熱和散熱，下部的磁力攪拌器保證了油溫的均勻分布。實驗中將器件的柵-漏短接，源-漏分別接正負電極(N型)，放入校準鍋內，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境始終處于熱平衡狀態，因而可以通過熱電偶測量油溫作為器件的結溫，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系［5］得到溫度校準系數K，如圖3所示。

圖2 溫度校準系數測量裝置

1.1.2 結壓降測量

結壓降 ΔVf的測定是按照 JESD51標準［6］，采用加熱電流與測試電流相交替的方法實現的，測試原理圖如圖4所示。

圖3 溫度系數曲線

圖4 測試原理圖

測試步驟:

①開關置于1，給定加熱電壓VH，使加熱電流IH1通過待測器件直至器件達到熱穩定狀態后，迅速將開關置于2，在測試電流IM下測定此時的正向壓降Vf1。

②開關重新撥至1，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定狀態后，迅速將開關置于2，并在同樣測試電流IM下測定此時的正向壓降Vf2。

1.2 殼溫測量裝置

試驗中將器件水平放置在冷卻基板上，并通過基板中部的熱偶進行殼溫的精確測量，裝置示意圖如圖5所示。為了保證測量的精確性，將基板與循環水冷冷卻裝置連接在一起，該裝置可以實現對管殼溫度的精確控制，保證測量過程中殼溫的恒定。與此同時，儀器上部的壓力槍以及導熱硅脂的使用進一步增強了管殼與基板間的接觸，良好的接觸不僅有效的減小了界面間的接觸熱阻，而且促進了熱量的良好傳導。

圖5 裝置示意圖

2 試驗內容與結果

試驗分別選取了TO-39和TO-254型金屬封裝、編號為A315及A071的功率VDMOS器件，對它們在不同耗散功率和環境溫度下的熱阻測試結果進行了研究。

2.1 耗散功率的影響

試驗中將電壓恒定，通過改變電流來調節耗散功率大小。兩種封裝器件的測試條件及結果見表 1、表 2。

表1 測試條件

表2 不同輸入電流下的結溫與熱阻值

圖6是兩種器件熱阻值隨電流的變化趨勢圖。圖中可見，他們的熱阻值均隨輸入電流的增大而增大。A315在200 mA～1 100 mA時熱阻值從4.859℃/W增加到5.111℃/W;A071在0.6 A～5.5 A時熱阻值從0.431℃/W增加至0.478℃/W。這種變化主要歸結于電流擁擠現象和由于溫度上升而導致的器件內部材料導熱系數的變化。早先的一些研究已經表明，半導體器件在高電流密度下會發生電流擁擠［7-9］。Siegal［10］的研究認為，電流擁擠現象會導致器件的有效傳熱面積減少，而熱阻值與傳熱面積存在反比關系，因而熱阻值增大。此外，一些研究表明器件內部材料的導熱系數會隨著溫度的變化而變化。D.Kotchetkov［11］等人發現，當溫度從25℃升高至125℃時，GaN的導熱系數從2.0 W/cmK減小到 1.6 W/cmK;同樣，A.Christensen［12］的團隊也發現，當溫度從25℃增至175℃時，GaN的導熱系數從2.50W/cmK降至1.75 W/cmK;而對于Si材料，當溫度從25℃上升至125℃時，導熱系數會從1.56 W/cmK下降至1.05 W/cmK。由此可見，結溫的上升會導致材料導熱系數的下降，反過來，材料導熱系數的不斷下降又會影響器件的熱傳導，從而進一步使結溫升高，若控制不善，甚至會形成惡性循環而燒毀器件。可見，材料的導熱系數變化是熱阻值變化的另一個重要因素(熱阻值與導熱系數成反比)。此外，也有研究表明熱界面材料也會隨溫度的變化而改變［13］，當溫度升高時，VDMOS器件各結構層之間的失配度及熱界面材料的性能會發生變化，從而導致器件溫度升高，熱阻增大。

圖6 熱阻隨輸入電流變化趨勢圖

2.2 環境溫度的影響

試驗中采用循環水冷冷卻裝置實現對溫度的精確控制。在相同的測試條件下，選取了18℃、29℃、37℃三個環境溫度節點對兩種器件進行了研究，結果如圖7、圖8所示。

圖7 結溫隨電流在不同環境溫度下的變化圖

圖8 熱阻值隨電流在不同環境溫度下的變化圖

圖中可見，相同驅動電流下，兩種器件的結溫和熱阻值均隨環境溫度的升高而增加。以A315器件為例，漏源電壓恒定在12 V，驅動電流為800 mA時，器件在18℃、29℃、37℃ 3個環境溫度節點的結溫分別為83.7℃、94.6℃、102.3℃。對于功率器件，考慮到器件的連續工作溫度范圍以及壽命、性能等方面的因素，通常熱阻測試時結溫上限不超過125℃。也就是說，在結溫的允許范圍內，將器件加熱到相同參考結溫時，較低的環境溫度下器件可以輸出較大的功率，而較高的環境溫度則會限制器件的最大輸出功率，嚴重影響器件性能。同時，較高的環境溫度也會導致器件失效率的提高，圖9所示為功率器件失效率與結溫的關系圖。

圖9 功率器件失效率與結溫的關系曲線

環境溫度對熱阻值的影響主要有兩個方面:一方面隨著環境溫度的升高，器件內部各材料的導熱系數不斷變小，導致熱阻值逐漸增大;另一方面，較高的環境溫度也會使器件的散熱效果變差，導致內部熱量不能及時疏導從而造成熱量的積累，進而增大了熱阻測試結果。

3 結論

本文運用電學測試法原理，著重研究了耗散功率和環境溫度變化對功率VDMOS穩態熱阻值的影響。研究表明，器件熱阻值并不是一個固定不變的量。隨著耗散功率增大，由于電流擁擠效應的產生以及材料導熱系數的不斷減小，會導致器件熱阻值逐漸變大;而環境溫度升高同樣會引起熱阻值增大，并在很大程度上限制器件的最大輸出功率，影響器件性能，而當溫度升高至一定程度時，甚至會出現器件的工作失效。該研究旨在加深對功率VDMOS器件熱阻理論的全面認識，為實際工作中器件的熱特性評估提供了可靠的參考依據。

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