功率MOSFET器件稳态热阻测试原理及影响因素

康锡娥

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳 110032）

1 引言

目前功率器件作为多数电子设备的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机的可靠性。功率器件在工作时产生的热量会使自身温度升高，而温度升高会对功率器件的性能产生有害影响。如高温会危及到半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值形成机械应力的损伤，这样将严重影响器件性能，增加故障率，从而造成电子设备失效。因此在器件研制过程中，对每个器件进行热阻测试至关重要。常用的热阻测试方法有红外扫描成像法[1]、液晶示温法[10]、标准电学法[2]。红外扫描成像法是通过测量器件工作时芯片表面的红外辐射并给出芯片表面的二维温度分布，来表征结温及其分布。但这种方法需要对器件进行开帽处理，易对器件造成永久性破坏；液晶示温法是利用液晶在不同的温度下对恒定光源反射不同波长的光，呈现不同的颜色，需要被测结直接可见；而标准电学法采用瞬态热学测量，从瞬态热响应曲线中解析出包含热阻、热容的结构函数，得到封装器件内部各结构层的热阻值，如芯片焊料层管壳等部位，以此判断器件热性能的好坏。此法灵敏度高、测量速度快，且不易对器件造成破坏，因此标准电学法测试热阻是最优的选择。本文以电力学热阻测试方法为基准，在测试系统Phase11基础上讲述热阻测试原理，并讲解此过程中的重点影响因素以及解决措施。

2 热阻测试原理

热阻是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，其单位为℃·W-1或K·W-1，公式为[10]：

式中， Tj表示结温， Tc表示管壳温度，Ta表示环境温度， P是耗散功率。

功率MOSFET是利用源－漏间续流二极管作为温敏元件进行测量的，如图1 所示。

图1 MOSFE结构图和电路符号

整个热阻测试过程分成两部分，第一部分是将器件放在一个常温环境中并不断改变环境温度，同时保持器件和环境温度一致，在此过程中持续给续流二极管通过小电流，使半导体PN结结温变化Tj与正向结电压变化Vf呈良好的线性关系，用温度校准系数K来表示，满足关系式Tj=K Vf+T0，从而获得K系数值。第二部分是在第一部分结束后，将被测器件放置到常温环境，给MOSFET整个器件施加功率PH，等待器件达到热平衡。施加的功率引起结温变化，利用关系式Tj=K Vf+T0，其中T0为施加功率前的初始结温，K系数在第一部分已经获得，因此可以计算出达到热平衡之后的节温Tj。同时在加热功率结束时，可以通过热偶直接测得管壳的温度（环境温度），利用热阻的计算公式（1），可得器件稳态热阻值。

3 热阻测试影响因素

热阻的测试过程中需要确定好7个测试条件，之后才可以进行测试，这7个测试条件分别是：①测试电流Im；②温度校准系数K；③参考结温Tj；④壳温Tc（环境温度Ta）的控制；⑤选取测试延迟时间Td；⑥功率加热时间Tp；⑦脉冲方波信号选取。在以往的测试过程中，这些均需要测试人员在测试过程中手动进行调整，需要不断地改变条件，来获得最真实准确的测试结果。但是随着测试设备的不断更新，测试条件③~⑦已经不需要测试人员进行调整，测试设备可以自动完成，这将有效地降低对热阻测试的影响。因此将从测试电流、校准系数、参考结温以及测试夹具方面分析对热阻测试的影响。

3.1 测试电流Im的选择方法

测量温度校准系数K之前，首先需要选取合适的测试电流Im，其值不能过大致使芯片产生自热效，造成正向压降和温度不是线性关系，也不能小到无法导通而不能获取正常的测试值。不同类型器件的Im是不同的，李祖华[3]的研究表明 GaAs 功率 MESFET 的Im为0.1~1 mA， 马春雷[4]等人发现功率型 LED 的Im在5 mA 左右。对于不同芯片参数的功率MOSFET器件来说，通常选取的测试电流是1~10 mA，但是随着器件功率越来越大，其测试电流值已经超过了10 mA ，达到50 mA或者更高。合理地根据器件的电学参数找到合适的测试电流是实现热阻精确测量的重要保证。可根据器件的伏安特性曲线来选取，通常会选伏安特性曲线中正向电流开始明显增大的拐点处附近的值作为Im。

3.2 提高温度校准系数K的方法

温度校准系数K是反应器件正向电压热敏感程度的重要参数，K值测量的关键在于温度的精确控制。黄月强[5]、肖炜[6]、马春雷[4]等人都在自己的研究中强调了温度系数精确测量的重要性，并采用了较为常见的恒温箱控温法。但该法采用热导率很低的空气作为传热媒介，传热速度慢，一般要20~30 min才能实现单个温度点的平衡，而实验通常需要采集多个温度点，故测试效率低；且控温范围较窄（30~120 ℃），控温精度偏低（±1 ℃），测量过程中气流的局部微小波动也可能会影响到实际温度的精确测量。Phase11[9]采用的是油浴加热装置，该装置有以下几个特点：（1）由集成在热阻测试系统中的模块直接进行温度控制，整个测试过程测量装置由电脑自动完成数据的采点和拟合；（2）校准锅内采用高热导率且绝缘良好的液态矿物油作为传热媒介给器件加热和散热，传热速度快，对环境无害并能重复使用；（3）锅底带有陶瓷镀层的磁力搅拌器保证了油温的均匀分布；（4）带有冷却风扇的坚固底盘能够很好地控制升温速率并保证安全性；（5）仪器上部的悬挂结构保证了校准器件被牢牢地固定在油浴中；（6）控温范围较大，通常为20~300 ℃，控温精度较高，为±0.2 ℃。

图2 温度校准系数测试装置

实验中将器件的栅－漏短接，源－漏分别接正负电极（N型），放入充满硅油的校准锅内，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得到温度校准系数 K， 如图3 所示。该油浴加热装置实现了对温度的精确控制，较多的测试采点也保证了图形的精确可靠，测试效率较恒温箱也有了很大程度的提升，为后续的热阻测试提供了相对准确的温度校准系数 K。

图3 温度校准曲线

3.3 Tj的选择标准

在热阻测试过程中，需要设置将器件结温加热的温度。实验中通常会将结温升至125 ℃来计算器件热阻，对于不同的器件，其参考结温的选取有所不同。冯士维[7]等人在研究GaAs功率MESFET时将器件温升至150 ℃；熊旺[8]等则将120 ℃作为大功率LED的参考结温；黄月强[5]等认为 125 ℃是IGBT的最佳结温，可见不同器件在参考结温的选取上存在差异。实际上通过研究发现，功率MOSFET应当尽可能选取较高的参考结温以获取更加准确的测试结果。实验中结温一般会升至125 ℃，较高的参考结温可以有效减少测量误差。分别将参考结温设定在90 ℃和125 ℃，其对测量结果的影响通过表1 中的数据可以看出。

表1 不同参考结温对应热阻值的比较

从表1看出，结温设置低，热阻值反倒比较大，这样就可能造成对器件的误判。对于功率器件，最高结温有的可以高达150~170 ℃， 但考虑到器件的连续工作温度范围以及寿命性能等因素，通常选取125 ℃作为参考结温。

3.4 测试夹具的影响

在对环境热阻的测试中，要给器件安装专业的测试夹具，热阻测试过程中的第二部分加热过程中，器件需要不断的散热，如果散热不好，会造成结温偏大，依据热阻测试公式，在相同的加热功率下，温差大容易造成测试结果偏大或者测试不合格，做出误判，表2的数据详实地记录了测试夹具（TO-220）的影响。因此在进行对环境热阻的测试时，一定要选择合适的测试夹具，保证器件的良好散热。

表2 安装和未安装测试夹具的热阻测试结果比较

4 结论

本文较为详尽地叙述了MOSFET利用标准电学法进行稳态热阻测试的原理，为了提高功率 MOSFET稳态热阻测试精度，应根据器件性能选择适当的测试电流；通过油浴装置多点拟合出温度校准系数K，选取合适的参考节温、测试夹具，并通过试验数据对其进行了验证，旨在实现稳态热阻的精确测量，为功率VDMOS热阻测试标准提供参考和借鉴。

[1] Bingfeng F, Hao W, Yu Z, et al. Thermal Study of High Power Nitride Based Flip Chip Light Emitting Diodes [J]. Electron Devices, IEEE Transactions on,2008,55(12) : 3375-3382.

[2] 冯士维，谢雪松，吕长治，等. 半导体器件热特性的电学法测量与分析[J]. 半导体学报，1999，20(5) : 358-364.

[3] 李祖华. GaAs功率MESFET热阻测试与分析[J]. 固态电子学研究与进展，1994: 50.

[4] 马春雷，鲍超. 高功率LED热特性测试方法研究与应用[J]. 光子学报，2005，34(12) : 1803-1806.

[5] 黄月强，吕长志，谢雪松，等. 一种 IGBT 热阻的测量方法[J]. 电力电子技术，2010，44(9) : 104-108.

[6] 肖炜，刘一兵. 一种测量功率型LED热阻的方法[J]. 低温与超导，2011，6(39) : 80-82.

[7] 冯士维，谢雪松，吕长治，等. 半导体器件热特性的电学法测量与分析[J]. 半导体学报，1999，20(5) : 358.

[8] 熊旺，蚁泽纯，王钢，等. 大功率LED芯片粘结材料和封装基板材料的研究[J]. 材料研究与应用，2010，4(4) : 338-342.