耗散功率与环境温度对功率VDMOS热阻的影响分析

董晨曦，王立新

(中国科学院微电子研究所，北京100029)

功率VDMOS器件因其具有高输入阻抗、开关速度快等诸多优点［1］，近些年发展迅速，但作为功率器件，较大的驱动电流将产生很大的热量，随着结温的升高，将严重影响器件的可靠性和使用寿命。因此，如何准确的评估器件热性能优劣就显得非常重要了，而热阻值就是衡量器件热性能好坏的重要参数。

通常，我们在考察器件热特性时，容易将热阻值看成恒定不变的常量。但实际上，器件热阻值并不是固定不变的，它会随诸多因素的变化而变化，如耗散功率、环境温度、器件类型、芯片布局，封装方法等。本文通过对比性试验，着重分析了功率VDMOS器件稳态热阻值与耗散功率及环境温度之间的变化关系，并对该变化关系进行了合理的解释。

1 热阻测试基本原理

热阻定义 在热平衡条件下，沿器件热流通道上的温度差与产生温差的耗散功率之比［2］:

式中Rθjc为结到管壳的热阻(℃/W或K/W);Tj为结温;Tc为壳温;PH是耗散功率。其中，PH可通过仪器读出，因此，结温Tj和壳温Tc的测量便是热阻测试的关键。

1.1 结温Tj测量原理

通常，由于封装的密封完整性，很难直接获得器件的结温。因此便需要通过电学法测量器件内部的温度敏感元件，从而间接实现结温的测量。功率VDMOS主要利用源-漏间寄生PN结二极管作为温敏元件，通过对结电压Vf的测量，间接的获取器件结温Tj(图1)。

图1 n沟VDMOS结构图和电路符号

小电流条件下，半导体PN结结温变化ΔTj与正向结电压变化ΔVf呈良好线性关系［4］，用温度校准系数为K来表示。满足关系式:

由式(2)可知，结温测量的重点就是温度校准系数K以及结压降ΔVf的测定。

1.1.1 温度校准系数测量

温度校准系数K表征的是结电压随温度的变化。测量装置(油浴加热装置)见图2，该装置采用高热导率且电绝缘的液态矿物油作为传热媒介给器件加热和散热，下部的磁力搅拌器保证了油温的均匀分布。实验中将器件的栅-漏短接，源-漏分别接正负电极(N型)，放入校准锅内，通以测试电流Im，加热油锅至要求的温度(125℃)，整个测试过程器件与油浴环境始终处于热平衡状态，因而可以通过热电偶测量油温作为器件的结温，之后让油锅自然冷却，并且每5℃读取一次器件两端的电压值，便可以利用正向压降与温度的良好线性关系［5］得到温度校准系数K，如图3所示。

图2 温度校准系数测量装置

1.1.2 结压降测量

结压降 ΔVf的测定是按照 JESD51标准［6］，采用加热电流与测试电流相交替的方法实现的，测试原理图如图4所示。

图3 温度系数曲线

图4 测试原理图

测试步骤:

①开关置于1，给定加热电压VH，使加热电流IH1通过待测器件直至器件达到热稳定状态后，迅速将开关置于2，在测试电流IM下测定此时的正向压降Vf1。

②开关重新拨至1，在同样的加热电压下，使加热电流IH2通过待测器件直至器件达到热稳定状态后，迅速将开关置于2，并在同样测试电流IM下测定此时的正向压降Vf2。

1.2 壳温测量装置

试验中将器件水平放置在冷却基板上，并通过基板中部的热偶进行壳温的精确测量，装置示意图如图5所示。为了保证测量的精确性，将基板与循环水冷冷却装置连接在一起，该装置可以实现对管壳温度的精确控制，保证测量过程中壳温的恒定。与此同时，仪器上部的压力枪以及导热硅脂的使用进一步增强了管壳与基板间的接触，良好的接触不仅有效的减小了界面间的接触热阻，而且促进了热量的良好传导。

图5 装置示意图

2 试验内容与结果

试验分别选取了TO-39和TO-254型金属封装、编号为A315及A071的功率VDMOS器件，对它们在不同耗散功率和环境温度下的热阻测试结果进行了研究。

2.1 耗散功率的影响

试验中将电压恒定，通过改变电流来调节耗散功率大小。两种封装器件的测试条件及结果见表 1、表 2。

表1 测试条件

表2 不同输入电流下的结温与热阻值

图6是两种器件热阻值随电流的变化趋势图。图中可见，他们的热阻值均随输入电流的增大而增大。A315在200 mA～1 100 mA时热阻值从4.859℃/W增加到5.111℃/W;A071在0.6 A～5.5 A时热阻值从0.431℃/W增加至0.478℃/W。这种变化主要归结于电流拥挤现象和由于温度上升而导致的器件内部材料导热系数的变化。早先的一些研究已经表明，半导体器件在高电流密度下会发生电流拥挤［7-9］。Siegal［10］的研究认为，电流拥挤现象会导致器件的有效传热面积减少，而热阻值与传热面积存在反比关系，因而热阻值增大。此外，一些研究表明器件内部材料的导热系数会随着温度的变化而变化。D.Kotchetkov［11］等人发现，当温度从25℃升高至125℃时，GaN的导热系数从2.0 W/cmK减小到 1.6 W/cmK;同样，A.Christensen［12］的团队也发现，当温度从25℃增至175℃时，GaN的导热系数从2.50W/cmK降至1.75 W/cmK;而对于Si材料，当温度从25℃上升至125℃时，导热系数会从1.56 W/cmK下降至1.05 W/cmK。由此可见，结温的上升会导致材料导热系数的下降，反过来，材料导热系数的不断下降又会影响器件的热传导，从而进一步使结温升高，若控制不善，甚至会形成恶性循环而烧毁器件。可见，材料的导热系数变化是热阻值变化的另一个重要因素(热阻值与导热系数成反比)。此外，也有研究表明热界面材料也会随温度的变化而改变［13］，当温度升高时，VDMOS器件各结构层之间的失配度及热界面材料的性能会发生变化，从而导致器件温度升高，热阻增大。

图6 热阻随输入电流变化趋势图

2.2 环境温度的影响

试验中采用循环水冷冷却装置实现对温度的精确控制。在相同的测试条件下，选取了18℃、29℃、37℃三个环境温度节点对两种器件进行了研究，结果如图7、图8所示。

图7 结温随电流在不同环境温度下的变化图

图8 热阻值随电流在不同环境温度下的变化图

图中可见，相同驱动电流下，两种器件的结温和热阻值均随环境温度的升高而增加。以A315器件为例，漏源电压恒定在12 V，驱动电流为800 mA时，器件在18℃、29℃、37℃ 3个环境温度节点的结温分别为83.7℃、94.6℃、102.3℃。对于功率器件，考虑到器件的连续工作温度范围以及寿命、性能等方面的因素，通常热阻测试时结温上限不超过125℃。也就是说，在结温的允许范围内，将器件加热到相同参考结温时，较低的环境温度下器件可以输出较大的功率，而较高的环境温度则会限制器件的最大输出功率，严重影响器件性能。同时，较高的环境温度也会导致器件失效率的提高，图9所示为功率器件失效率与结温的关系图。

图9 功率器件失效率与结温的关系曲线

环境温度对热阻值的影响主要有两个方面:一方面随着环境温度的升高，器件内部各材料的导热系数不断变小，导致热阻值逐渐增大;另一方面，较高的环境温度也会使器件的散热效果变差，导致内部热量不能及时疏导从而造成热量的积累，进而增大了热阻测试结果。

3 结论

本文运用电学测试法原理，着重研究了耗散功率和环境温度变化对功率VDMOS稳态热阻值的影响。研究表明，器件热阻值并不是一个固定不变的量。随着耗散功率增大，由于电流拥挤效应的产生以及材料导热系数的不断减小，会导致器件热阻值逐渐变大;而环境温度升高同样会引起热阻值增大，并在很大程度上限制器件的最大输出功率，影响器件性能，而当温度升高至一定程度时，甚至会出现器件的工作失效。该研究旨在加深对功率VDMOS器件热阻理论的全面认识，为实际工作中器件的热特性评估提供了可靠的参考依据。

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