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(西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西西安，710065)

1　引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及脈寬調(diào)制控制的提升，功率VDMOS器件由于其高輸入阻抗、快開關(guān)速度等特性，在整流、逆變、直流/直流變換、交流/交流變換等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。國內(nèi)外各大半導(dǎo)體制造公司都在積極地研制不同型號的功率VDMOS器件。該類型的器件，具有功率器件的通用特性，即在工作的過程中，產(chǎn)生大量的熱量使得器件自身的溫度升高。這些熱量會使器件的性能下降，降低所設(shè)計功率變換系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時會損壞系統(tǒng)。依據(jù)美國航空電子的統(tǒng)計數(shù)據(jù)報道，約55%的器件失效都是由于器件的熱效應(yīng)引起的。功率VDMOS器件的散熱設(shè)計，是功率變換系統(tǒng)設(shè)計重點(diǎn)考慮的方面。面對功率變換系統(tǒng)小尺寸化、輕質(zhì)量等設(shè)計的需求，功率VDMOS器件散熱問題使半導(dǎo)體制造公司面臨的器件熱特性問題更加嚴(yán)峻。在器件的眾多技術(shù)參數(shù)中，熱阻以溫差與輸入功率的比值進(jìn)行定義，是衡量器件熱特性的重要參數(shù)。

在功率VDMOS器件設(shè)計和研制過程中，如何有效地進(jìn)行其熱阻的測量，對指導(dǎo)器件的設(shè)計，尤其是封裝特性，具有重要意義。本文在介紹功率VDMOS器件熱阻測試方法的基礎(chǔ)上，針對測試過程中，影響其關(guān)鍵測量精度的因素，進(jìn)行了分析，為功率器件設(shè)計制造過程中熱效應(yīng)降低措施，提供有效地指導(dǎo)思想。

2　熱阻模型

當(dāng)功率VDMOS器件導(dǎo)通時，流經(jīng)其本身的電流，會在阻抗的作用下，產(chǎn)生熱量。這些熱量首先會引起芯片結(jié)溫升高。熱量在傳輸?shù)倪^程中，從芯片內(nèi)部向外部空間環(huán)境進(jìn)行擴(kuò)散。熱量擴(kuò)散性能，可通過熱阻技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行衡量。依據(jù)整個功率VDMOS器件的構(gòu)造，相應(yīng)的熱阻可由以下幾個環(huán)節(jié)組成：芯片熱阻、燒結(jié)熱阻、管殼熱阻、散熱器熱阻。上述四部分的關(guān)系如圖1所示。

圖1　功率VDMOS器件熱阻模型

芯片熱阻、燒結(jié)熱阻、管殼熱阻存在器件內(nèi)部，通常稱為熱阻。熱阻的測量通常以器件結(jié)溫、管殼溫度的差異，與輸入功率之比得到，即：

(1)

式中，Tj為器件的結(jié)溫；Tc為器件的管殼溫度；P為輸入功率。

針對具體的功率VDMOS器件，熱阻又可分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻兩大類。穩(wěn)態(tài)熱阻為在器件達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，器件結(jié)溫、管殼溫度之間的溫度差，與輸入功率的比值。穩(wěn)態(tài)熱阻能夠反映器件散熱的能力。對應(yīng)的數(shù)值越大，散熱能力越差，很容易造成器件的故障。該參數(shù)能夠反映器件在設(shè)計制造過程中所選擇的管殼、焊料片等工藝。對于過高的熱阻阻值，應(yīng)重新調(diào)整其設(shè)計封裝工藝。瞬態(tài)熱阻為在器件未達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，器件結(jié)溫、管殼溫度之間的溫度差，與輸入功率的比值。該參數(shù)主要反映器件的燒結(jié)質(zhì)量，以及同一批次產(chǎn)品的一致性。進(jìn)行瞬態(tài)熱阻測試的主要原因?yàn)闊Y(jié)過程難保證一致，以及焊料片質(zhì)量的不均勻性。燒結(jié)空洞和焊料片的氧化，是瞬態(tài)熱阻大幅增加的主要因素。

3　熱阻測試

依據(jù)式(1)的定義，功率VDMOS器件的熱阻測試需要建立在結(jié)溫、殼溫、輸入功率三者基礎(chǔ)上。

輸入功率可通過直流電源直接在源極和漏極之間施加電壓的方式獲得。在源極和漏極之間施加電壓后，源極和漏極之間會流過電流，在器件內(nèi)部產(chǎn)生熱量。目前的直流電源都帶有輸出功率顯示屏。相應(yīng)的輸出功率可通過顯示屏直接讀取得到。若沒有顯示屏，可通過在測試電路中，增加電流表和電壓表的方式，通過相應(yīng)的輸出值計算得到。

殼溫可通過熱電偶進(jìn)行測量。測量過程中，將熱電偶與器件外部相連接。利用熱電偶輸出的電壓信號，可計算得到殼溫。器件本身是否達(dá)到熱平衡狀態(tài)，可依據(jù)熱電偶的輸出信號是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷。

結(jié)溫?zé)o法通過直接測量的方式得到。功率VDMOS器件漏極和源極之間的二極管正向壓降VD具有熱敏特性。結(jié)溫的測量可通過該二極管正向壓降特性間接計算得到。伴隨著結(jié)溫的不同，二極管正向壓降VD不同。二極管正向壓降VD與溫度的關(guān)系，可用溫度系數(shù)進(jìn)行衡量。根據(jù)溫度系數(shù)和實(shí)際測量的二極管壓降，可計算得到結(jié)溫。溫度系數(shù)的獲取是結(jié)溫測量的關(guān)鍵。

溫度系數(shù)的獲取建立在數(shù)據(jù)測試分析基礎(chǔ)上。結(jié)合油的物理特性，將功率VDMOS器件放置到油鍋之中。由于器件和油處于相同的熱環(huán)境中，因此器件的結(jié)溫與油鍋中的油溫是相等的。通過油溫的測量，可以得到器件結(jié)溫的變化情況。油溫的測量可通過熱電偶測量。將器件的柵極與源極短接，利用電流信號，產(chǎn)生二極管正向壓降。通過改變油鍋里面油的溫度，可得到不同的結(jié)溫下，對應(yīng)的不同的二極管正向壓降。

4　溫度系數(shù)計算

通過改變結(jié)溫的方法，可以得到不同結(jié)溫下二極管正向壓降。如何通過不同溫度下的結(jié)溫，得到溫度系數(shù)，對熱阻的測量具有重要意義。

溫度系數(shù)反映的是結(jié)溫和二極管正向壓降之間的關(guān)系。對于測量得到的結(jié)溫和二極管正向壓降數(shù)據(jù)(Tji，CDi)，利用最小二乘法的基本思想計算溫度系數(shù)的過程如下描述。對于結(jié)溫測量的溫度平均值為：

(2)

二極管正向壓降的平均值為：

(3)

溫度系數(shù)可表示為：

(4)

閾值可表示為：

(5)

對于任意測得的二極管正向壓VDs，對應(yīng)的結(jié)溫可表示為：

Tjs=TKVDs+b

(6)

數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取，對計算得到的溫度系數(shù)有效性具有重要影響。數(shù)據(jù)點(diǎn)涉及的溫度范圍，應(yīng)該包含整個可能結(jié)溫所涉及的溫度區(qū)間。最低結(jié)溫可取常溫。最高結(jié)溫為器件所允許的最高溫度。為了使最小二乘法從算法上發(fā)揮最大優(yōu)勢，在調(diào)節(jié)油溫時，所記錄的測量點(diǎn)溫度，應(yīng)為在溫度測量范圍內(nèi)進(jìn)行等間隔分割的溫度點(diǎn)。

5　熱電偶測量

在殼溫和油溫的測量過程中，都要用到熱電偶進(jìn)行測量。對于選定的熱電偶來說，其測溫基本原理如圖2所示，主要依據(jù)兩種不同的金屬在同一熱環(huán)境下會產(chǎn)生不同的接觸電動勢基本原理，進(jìn)行溫度測量。測量熱端溫度T時，在冷端T0測得的電勢差為：

E=E(T)-E(T0)

(7)

圖2　熱電偶測溫基本原理

依據(jù)熱電偶的分度表，結(jié)合測量點(diǎn)測量得到的電勢差，可以計算得到被測量點(diǎn)的溫度。由式(7)可知，溫度計算過程中，還需要冷端的溫度。冷端的電勢，在熱電偶測量誤差中占據(jù)重要地位。針對熱阻測量過程中，所測量的溫度主要在200℃以下。在這種低溫測量環(huán)境下，冷端電勢對測量結(jié)果的影響更加嚴(yán)重。雖然目前多種補(bǔ)償方法，被應(yīng)用于熱電偶測量過程中的冷端補(bǔ)償中，但是低溫段的補(bǔ)償效果并不理想。

考慮到熱阻測量環(huán)境的特殊性，測試過程中可將冷端放置在恒溫狀態(tài)中。恒溫可以通過第三方溫度測量裝置測量得到具體的溫度值。通過查詢相應(yīng)的熱電偶分度表，可得到式(7)中所對應(yīng)的冷端溫度所產(chǎn)生的電勢。式(7)中對應(yīng)的電勢差，可以通過數(shù)字萬用表的電壓檔直接測量得到。結(jié)合數(shù)字萬用表的測量結(jié)果，和所得到的冷端電勢，可得到被測點(diǎn)的電勢。利用熱電偶分度表，可以得到被測量點(diǎn)的溫度值，實(shí)現(xiàn)熱電偶的精確溫度測量。

6　結(jié)論

功率VDMOS器件的熱阻，是衡量器件在輸入功率作用下溫度改變特性的重要技術(shù)指標(biāo)。熱阻的大小，無論從系統(tǒng)設(shè)計角度還是從器件研制角度來說，都受到重視。本文以功率VDMOS器件的熱阻測量為對象，在分析熱阻模型的基礎(chǔ)上，給出了具體的測量方法。針對影響熱阻測量結(jié)果的重要技術(shù)途徑，結(jié)合測試經(jīng)驗(yàn)，在數(shù)據(jù)處理方面和熱電偶高精度溫度測溫方面給出了措施，為熱阻的精確測量提供基礎(chǔ)。伴隨著嵌入式微控制器技術(shù)的發(fā)展，本文能夠?yàn)闊嶙枳詣踊瘻y試裝置的設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

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