功率器件熱阻的測量研究分析

滕為榮 ，居長朝

（1. 蘇州大學電子信息學院微電子學系，蘇州 215021；2. 快捷半導體（蘇州）有限公司，蘇州 215021）

1 前言

隨著半導體技術日新月異的發展，越來越高的芯片性能和集成度也帶來了一個不可回避的問題，這就是散熱。根據源自一份美國航空電子的失效分析統計數據，近55%的電子器件失效是和溫度相關，由此可見熱控制的重要性。

在通常條件下，超過165℃時封裝的環氧樹脂開始碳化，同時發生釋氣，即某些材料中捕捉、冷凍或者吸附的氣體開始緩慢釋放。在低電平條件下，這種釋氣可以影響芯片的運行功能，因為它給芯片增加了離子和表面效應。連接線可能會傳輸過高的電流，也會造成塑模材料的碳化，甚至使連接線熔化。荷蘭化學家Jacobus H Van’t Hoff 于1884率先提出Arrhenius方程，而瑞典化學家Svante Arrhenius則在五年后對其做出了物理驗證和解釋。

圖1 電子器件失效主要因素分析[1]

K= Ae(-Ea/RT)；

K: 速率系數；

A: 常量；

Ea: 活化能量；

R: 普適氣體常數；

T: 以k為單位的溫度。

Arrhenius方程起初用于化學反應，描述化學反應隨著溫度的增加而加快，同樣此方程也被用來描述電子器件在高溫下的壽命縮短。方程表明，隨著溫度的升高，電子器件的使用壽命下降，失效率急劇提升，所以在集成電路的設計應用中，如何測量器件的散熱能力、如何散熱都是至關重要的問題。

圖2 結溫和失效率的關系曲線[1]

2 結溫與熱阻

以功率器件為例，器件在應用時受到的熱應力可能來自內部，也可能來自外部。器件工作是所消耗的功率需以熱能的形式散發出去。表征功率器件熱能力的參數有結溫和熱阻。所謂結溫即為器件有源區的溫度，其符號為Tj。

熱阻用來表征器件散熱的能力，即熱傳導路徑上的阻力，表示熱傳導過程中每散發1W的功率熱量，熱路兩端需要的溫度之差，其符號為Rthjx。

T1：熱傳導中溫度高的一側溫度；T2：熱傳導中溫度低的一側溫度；Q：熱傳導過程中散發的熱量。

對于功率器件，根據散熱機制的不同，大致可以將熱傳導分為接觸熱傳導、熱輻射、對流熱傳導等。

可以推導出以下公式：

其中，H為散熱板厚度（m），A為接觸面積（m2），K為熱傳導率（W/m℃），h為熱傳導系數（W/m2℃），ε為表面熱發射率，σ= 5.669×10-8W/m2K4（常數）。

在器件的實際測量應用中，將主要通過熱接觸方式散熱的熱阻稱為Rthjc（Junction-to-case），而將以通過向周圍環境進行熱輻射和熱對流方式為主要散熱方式的熱阻稱為Rthja（Juntion-to-Ambience）。如圖4所示。

圖3 熱傳導示意圖

圖4 散熱方式示意圖

3 熱阻的測量

目前半導體器件工作溫度和熱阻的測試方法主要有紅外熱像儀法、電學參數法、光譜法、光功率法等。本文研究內容的原理基于電學測量方法，以TO-220系列封裝產品為例，分析測量功率器件最主要的兩種參數Rthja和Rthjc。其中Rthja為器件結點到環境的熱阻，表征器件向環境散熱的能力，Rthjc為器件結點到散熱板的熱阻。

3.1 結溫的校驗測試

器件結溫的校驗測試是用來收集在已知結溫條件下的器件特征參數，最終得到一份結溫和器件特征參數的關系曲線。此項校驗測試是進行熱阻測試前的準備條件。具體測試方法為將器件浸在一個裝有油的容器中，容器通過加熱使油達到一定的溫度，在溫度穩定情況下可以認為結溫等于環境溫度。在溫度上升的同時，通過使柵極短路、源漏極間加電流測電壓的方法在此條件下測試器件的特征參數（Vds），如圖5所示。

圖5 器件的特征參數和結溫的關系校驗測試

通過一系列的測試，我們可以發現器件結溫升值和源漏間電壓的變化量存在很好的線性關系，即有：

其中，K為比例系數，為常量，其單位為℃/V。

器件的不同可能導致曲線的差異，這是由器件的設計結構、制造工藝等很多因素決定的，反應器件的基本特性，如圖6所示，測試結果可能是線性也可能是非線性，取決于器件本身。對于非線性的測試結果，越多的測試點意味著更加準確的圖形，也為后續的測試結果提供相對更加準確的參考值。

圖6 特征參數和結溫的關系曲線

3.2 Rthjc和Rthja的測試

如圖7所示，對于Rthjc的測試，室溫條件下將TO-220器件平放在標準尺寸的銅材散熱板上，此時Tc=25℃。而對于Rthja的測試，如圖8所示是將器件插立在設計好的PCB板上，散熱主要是通過器件本身向周圍環境的熱輻射完成，室溫條件下Ta=25℃。

圖7 Rthjc的測試方式

圖8 Rthja的測試方式

Rthjc和Rthja測試的共同點是，對器件加熱采用的方法是通過功率輸出設備將特定功率的信號加到器件上（PDM），使器件加熱升溫。通常為了便于計算輸出功率，使用的信號為脈沖信號，如圖9。

圖 9 加熱信號以及測試采樣示意圖

在額定功率的信號加到器件后，每個周期采集采樣信號的值，采樣信號達到平衡以后的值（Vds）表征為器件在加上特定功率的熱量后散熱功能達到平衡時的特征參數。根據之前的結溫校驗測試曲線，可以得到相應的結溫（Tjmax）。此時我們可以計算出最終的熱阻值：

4 熱阻的研究

4.1 Rthja熱阻測試與方波信號的關系

如前一節所示，器件加熱使用的是脈沖信號。下面進一步研究在脈沖信號中其他因素對于Rthja熱阻測試的影響。

如圖10所示，t1表示方波信號的脈沖寬度，t2為周期長度，D=t1/t2為占空比。通過研究發現在不同的占空比下，不同的脈沖寬度所得到的熱阻特征曲線有所不同。如圖11所示，縱坐標為不同條件下的熱阻相對于穩定條件下的熱阻歸一化的數值。

圖10 測試方波信號

圖11 脈沖寬度-熱阻特征曲線

實驗選取了七種不同占空比（2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%）的方波測試條件，對熱阻進行了測試及總結，得到了圖11的特征曲線。由此可見，在相同的脈沖寬度下，較大的占空比由于脈沖周期比較短而且加熱時間比較長，測試得到的熱阻值相對較大。在脈沖寬度t1足夠長的時候，則測試結果不受占空比的影響，得到的熱阻值等于穩定條件下的熱阻值，歸一化值為1。

除了脈沖寬度的影響，不同占空比條件、不同周期長度時間下的熱阻曲線也有所不同。

如圖12所示，實驗同樣選取占空比分別為2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%條件，相同周期時間時，因較高占空比的信號所加能量也相應較高，所以最終得到的熱阻值也較高。對于占空比比較低的信號，到達最終平衡所用的時間也比占空比高的信號要長。

圖12 周期長度時間-熱阻值特征曲線

4.2 Rthja熱阻測試與周圍環境的關系

在對Rthja的研究中發現，周圍環境中風速的變化同樣對測試結果有顯著的影響。如圖13所示，實驗設計了不同的空氣流通速度，從0ft/min至600ft/min，測試不同風速條件下的值，可以發現隨著風速的上升，由于增加了熱對流，就相當于并聯了一個熱阻RCONV，使得最終的熱阻值下降。隨著風速的增加，RCONV也隨之減小，并聯后的熱阻值也隨之下降。

其中，R’thja為風速為零條件下時的Rthja值。

圖13 Rthja熱阻與環境風速的關系曲線

4.3 Rthjc與芯片實際尺寸之間的關系

在上文提到，Rthjc為通過熱接觸的方式散熱（junction-to-case）的能力。因此在相同的測試條件下，在同一封裝條件中，芯片的尺寸大小就是決定散熱能力的重要因素。因此Rthjc與芯片尺寸之間關系的研究就很有意義。

此研究中以PQFN56封裝條件為例，通過試驗采集不同尺寸芯片的Rthjc值，可以得到如圖14所示的曲線。

圖 14 芯片尺寸與熱阻值Rthjc關系圖

通過這個曲線我們可以發現，芯片尺寸越小，Rthjc值越大，這是因為較小的尺寸將使得芯片散熱面積減少，即便封裝條件相同也會導致熱傳導能力下降，從而導致Rthjc值增加。而隨著芯片尺寸的持續增大（因受到封裝尺寸的制約，即無限接近適合design rule的最大值），Rthjc值在減少但是趨于平緩。這是因為在某種特定的封裝形式下，此時熱阻將主要受到封裝條件的影響，諸如散熱片的尺寸大小、封裝材質的熱傳導率等，而芯片的影響趨于次要。

通過對芯片尺寸與Rthjc之間關系的研究，可以大致推出已知封裝條件、已知芯片尺寸功率器件的Rthjc值。這對于評估功率器件所能承受的最大電流有著非常重要的作用。

根據公式（1），我們可以推導得到：

其中T1為器件所能承受的最高溫度，T2為測試環境溫度，Rdson為MOSFET器件在開啟條件下的漏源極間電阻，最終計算出來的結果I即為此芯片在額定最高溫度下所能承受的最高電流。所以根據此曲線和關系圖，可以大致預估一個器件的Rthjc值，對于評估器件能力有重要的作用。

5 結論

在集成電路設計制造中，熱阻的重要性顯得尤為重要，器件的散熱能力是考量器件能力的重要一環。

通過對功率器件的熱阻研究，我們發現很多因素和熱阻的能力相關。器件加熱的方式不同可能導致測試過程和結果的差異。在測試中可以看到外部環境中風速的增加會使熱阻下降，這是由于熱對流產生的熱交換。除此之外，其他因素也還可能導致熱阻的差異，諸如芯片的尺寸、不同熱導率的EMC材料等等。通過此實驗可以發現一個芯片和Rthjc值之間的關系圖，對于預估一個新器件的Rthjc值及評估器件的能力（最大承受電流等）有重大意義。

致謝：

感謝快捷半導體產品工程部胡志平、呂亞飛對本研究提供的幫助和建議，感謝快捷半導體特性測試實驗室對實驗結果的分析和討論。

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