MOSFET瞬態脈沖熱阻的測量及其變化規律研究

摘 要：半導體器件正不斷朝高功率、高電壓、大電流方向發展，隨之而來的是高功率帶來的發熱和散熱難題。現以MOSFET作為研究對象，對瞬態熱阻進行測量與分析，研究MOSFET瞬態熱阻在不同柵極電壓下的變化規律。實驗結果表明，MOSFET瞬態熱阻隨柵極電壓VGS絕對值的增大而減小，但對于不同的器件，熱阻減小的幅度不同。通過分析得到引起上述現象的原因在于，當柵極電壓變化時，溝道和漂移區的物理尺寸發生變化，從而對熱流的擴散長度產生影響，改變了通道的導通電阻分布，并且導電通道內的峰值溫度點會發生變化。

關鍵詞：MOSFET;瞬態脈沖熱阻;柵極電壓;瞬態雙界面法

中圖分類號：TN407? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0001-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.001

0? ? 引言

作為一種重要的半導體元器件，金屬—氧化物半導體場效應晶體管MOSFET被廣泛應用于整個電子行業。隨著MOSFET逐漸微型化、集成化，器件工作時產生的熱量會更加集中，從而引起溫度升高，當溫度升高到大于器件最大允許溫度時，器件會性能退化甚至損壞。作為器件的重要熱學參數，結溫可以直觀反映出器件的散熱能力。結溫可以通過熱阻計算得到，從而為器件的封裝與可靠性設計提供參考思路，在器件選型時也可以提供熱性能參考。

早期對MOSFET熱阻的研究主要集中在驗證不同測試方法的準確性、外部環境改變對熱阻測試的影響、芯片設計和封裝對熱阻的影響等等，很少有人研究MOSFET熱阻與柵極電壓的關系。本文通過研究對MOSFET施加不同柵極電壓時的瞬態脈沖熱阻，分析MOSFET熱阻的變化規律，從而選擇合適的柵極工作電壓范圍，避免MOS管在工作過程中因產生大量熱量而造成損壞的問題。

1? ? 熱傳輸與熱阻

1.1? ? 熱傳輸

根據熱力學第二定律，當兩個物體之間存在溫度差時，兩者之間發生熱量傳遞，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，該過程是一個自發過程。

下面用功率器件解釋一下熱量傳遞的過程：當功率器件工作時，在芯片處產生熱量，由于存在溫度差，熱量通過芯片與封裝體的接觸傳遞到封裝體內表面，然后通過介質—封裝體傳遞到封裝體外表面（器件外殼），最后將熱量傳遞到周圍環境中。該過程稱為傳熱過程。

在上述熱量傳遞過程中，熱量從芯片傳遞到封裝內表面、從封裝內表面傳遞到封裝外表面的過程和從封裝外表面傳遞到周圍環境的過程存在本質上的不同。在前兩個熱量傳遞過程中，芯片與封裝體之間、封裝體與封裝體之間分子相對靜止，不存在相對運動，該過程被稱為導熱過程;而在最后一個熱量傳遞過程中，環境中空氣分子與封裝外表面之間存在相對運動，并且空氣分子之間也存在相對運動，該過程被稱為對流過程。另外，封裝外表面與周圍環境中不接觸的物體之間也存在熱量傳遞，該過程被稱為輻射換熱。綜上所述，一般物體的熱量傳遞過程由導熱、對流換熱和輻射換熱三部分組成[1]。

1.2? ? 熱阻

熱阻是熱量傳遞時所受的阻力，為方便理解，熱阻可表示為施加1 W熱功率所引起的溫升，其單位為K/W或℃/W，是表示物體熱性能的物理量。

在對器件施加電壓時，器件內形成電場產生電流，載流子在電場作用下速度變大。當載流子與晶格發生碰撞后，一部分電能將轉化成熱能，這部分熱能以聲子的形式在晶格間傳輸，引起芯片溫度升高。當芯片溫度升高到大于環境溫度時，熱量通過封裝體框架、管體材料向周圍環境散發。根據擴散規律，熱流密度隨著溫度梯度的增加而增加。一般情況下，功率器件的芯片面積大且厚度小，可以認為熱量傳遞的路徑只存在于垂直于芯片截面的方向，此時可以用一維模型計算熱流密度Q：

Q=-κ（1）

式中：κ為材料的熱導率（W/cm）;負號表示熱量從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞。

假設芯片橫截面積為A，熱量流經的長度為L，則在達到動態平衡時，單位時間內芯片產生的熱量等于器件發散的熱量，即：

Pc=Q·A（2）

將其代入式（1）得：

=-κ（3）

將式（3）積分得：

dx=-dT（4）

Pc=TJ-Ta（5）

令熱阻：

RT =（6）

則在動態熱平衡時：

Pc=（TJ-Ta）/RT（7）

其中式（6）是物理學熱阻公式，式（7）是數學計算公式[2]。

2? ? 測試方法與原理

在測試之前，需要選定好合適的溫度敏感參數TSP、測試電流Im、溫度校準系數K，其中溫度敏感參數TSP的理論基礎是p-n結正向壓降與溫度的關系[3-4]：

VF=Vg（0）lnT-n T? r（8）

式中：VF為p-n結正向壓降;Vg（0）為0 K時價帶和導帶之間的電位差;k為玻耳茲曼常量;q為電荷常數;c為依賴于結面積和摻雜密度的常數;r也是常數;IF為正向電流。

通過選取合適的TSP，獲得TSP與溫度之間的關系曲線，從而計算出結溫。MOSFET一般選取漏極和源極之間的寄生二極管正向壓降VSD作為TSP;測試電流Im用于獲取TSP與溫度之間的關系，Im既不能過大使芯片產生自熱效應，也不能過小無法使p-n結導通，獲取不到壓降數據。在一定的測試電流Im下，溫度敏感參數TSP隨溫度變化曲線斜率的倒數稱為溫度校準系數K，它表示電參數與結溫的關系。

熱阻測試標準JESD51-14介紹了一種滿足一維導熱路徑條件的半導體器件結殼熱阻測試方法——瞬態雙界面測試法，其主要步驟如下：

（1）選取合適的TSP，計算K系數。

（2）采集瞬時結溫。首先將器件固定在水冷型測試夾具上，夾具通以冷卻水，如圖1所示[5]。然后施加加熱電流IH，使器件得到充分加熱且處于熱平衡狀態時，再將加熱電流IH快速切換至測試電流Im，在降溫過程中實時采集TSP，經過K系數換算得到結溫，繪制降溫曲線。

（3）把降溫曲線轉變為熱阻抗曲線。在器件達到熱平衡前，器件在任意時刻均可通過結溫計算出此時器件的熱阻，此熱阻隨時間變化而變化，稱為瞬時阻抗，即：

ZθJC=（9）

式中：TJ（t）為隨時間變化的結溫;TJ0為t=0 s時的結溫;PH為加熱功率。

根據上述定義，得到熱阻抗曲線[6]。

將器件直接與熱沉接觸以及將器件通過導熱硅膠與熱沉接觸，按照上述步驟得到兩條對應的瞬態熱阻抗曲線。對同一器件來說，其內部熱量傳遞路徑是一樣的，不隨散熱條件的變化而變化，因此熱阻抗曲線也是一樣的。當熱量傳遞到封裝表面以后，在不同散熱環境中的散熱路徑也不同，從而使得熱阻抗曲線發生變化。因此，兩條熱阻抗曲線的重合部分對應的就是熱量在器件內部傳遞路徑的熱阻，兩者的分離點對應的熱阻就是結殼熱阻。

（4）根據器件熱阻值的大小確定結殼熱阻RthJC。通常有兩種方法用于確定結殼熱阻：對熱阻值不超過1 K/W的器件，其結殼熱阻可由熱阻抗曲線的分離點來確定，如圖2所示[5];對熱阻值大于1 K/W的器件，其結殼熱阻可由結構函數的分離點來確定（結構函數由熱阻抗曲線經數學變換得到），如圖3所示。當器件的熱阻值未知時，同時使用兩種方法測試，取兩者中的較大值。

3? ? 實驗結果與分析

本文選擇的器件是上海韋爾半導體公司新開發的p溝道單芯片MOSFET，暫時命名為PMOS1、PMOS2，測試電路板為標準1 inch覆銅熱測試板。

3.1? ? 實驗結果

經測試，得到PMOS1和PMOS2在不同柵極電壓VGS下測得的熱阻值，如圖4所示。

根據測試數據可知，MOSFET的瞬態熱阻隨VGS絕對值的增加而減小，對于不同類型的MOSFET結論是相同的，并且實驗具有可重復性。

3.2? ? 結果分析

針對實驗結果，可以從以下方面分析原因：

從電路的角度來看，通過改變柵極偏置電壓可以改變通道的導通電阻。以某一器件為例，其導通電阻特性如圖5所示，當溝道完全打開時，導通電阻從50 mΩ減小到14 mΩ。此外，基板和打線的電阻約為幾毫歐，對低導通電阻器件來說，當通道完全打開時，基板和鍵合線可以從通道共享部分加熱功率，從而降低芯片的發熱量和熱阻。

MOSFET的導通電阻是由以下電阻串聯而成，因此導通電阻等于這些電阻的和[7]：

RON=RCS+RN+RCH+RA+RJFET+RD+RSUB+RCD（10）

其中源極接觸電阻RCS和漏極接觸電阻RCD由工藝條件決定，可以做得很小，可忽略不計;并且源區和襯底的摻雜濃度高，電阻比較小，因此源區電阻RN和襯底電阻RSUB也可忽略不計。因此，導通電阻主要由溝道導通電阻RCH、JFET區電阻RJFET、累積層電阻RA和漂移區電阻RD組成，這些區域產生的熱量組成芯片內部總的熱量。當VGS增大時，RCH、RA都會相應減小，從而芯片的發熱量減少。

在測試MOSFET的熱阻時，是以漏極、源極之間的寄生二極管的正向壓降VSD作為TSP，因此熱阻的溫度監測點為基區與漂移區之間的p-n接點，p-n結可以看作是“溫度計”。距離上，對于典型的MOSFET，導電通道與p-n結之間的距離總是比漂移區的距離短得多，導電通道比漂移區更接近p-n結，因此低擊穿電壓MOSFET沿導電通道的導通電阻分布較大，當VGS增大時，導電通道電阻相應減小，芯片的發熱量減少。

綜上所述，當VGS增大時，器件的芯片發熱量減少，根據熱阻計算公式，芯片熱阻減小。

4? ? 結語

對大多數溝道柵MOSFET而言，溝道和漂移區的物理尺寸對熱流的擴散長度有顯著影響。晶圓設計決定了MOSFET的電阻分布，也影響了瞬態熱阻[8]。相關實驗表明，具有高擊穿電壓、厚襯底、漂移區電阻高的芯片對瞬態熱阻測量中的柵極偏置不太敏感。分析表明，在短脈沖時間內，芯片的瞬態熱性能不僅與封裝過程有關，還受到芯片結構的影響。當柵極偏置變化時，導電通道內的峰值溫度點會發生變化，門柵溫度的變化也會導致導電通道內的峰值溫度的變化。從改變柵極電壓觀察熱阻測量的結果來看，柵極制造工藝、芯片尺寸、芯片內部微觀結構的熱電學性能，包括溝槽、溝道、p-n結、基材，都會對器件的瞬態熱阻測量造成影響。

[參考文獻]

[1] 圓山重直.傳熱學[M].王世學，張信榮，譯.北京：北京大學出版社，2011.

[2] 周志敏，周紀海，紀愛華.IGBT和IPM及其應用電路[M].北京：人民郵電出版社，2006.

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[5] Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction-

to-Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path：JESD 51-14[S].

[6] 陳銘，吳昊.功率器件熱阻測試方法發展與應用[J].集成電路應用，2016，33（8）：34-38.

[7] 王南南.功率MOSFET導通電阻的仿真研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2020.

[8] DARWISH M N，BOARD K.Optimization of breakdown voltage and on-resistance of VDMOS transistors[J].IEEE Transactions on Electron Devices，1984，31（12）：1769-1773.

收稿日期：2022-03-21

作者簡介：劉超群（1993—），男，安徽人，在讀碩士研究生，研究方向：集成電路應用。