MOSFET瞬態(tài)脈沖熱阻的測(cè)量及其變化規(guī)律研究

引言

作為一種重要的半導(dǎo)體元器件,金屬一氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET被廣泛應(yīng)用于整個(gè)電子行業(yè)。隨著MOSFET逐漸微型化、集成化,器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)更加集中,從而引起溫度升高,當(dāng)溫度升高到大于器件最大允許溫度時(shí),器件會(huì)性能退化甚至損壞。作為器件的重要熱學(xué)參數(shù),結(jié)溫可以直觀反映出器件的散熱能力。結(jié)溫可以通過(guò)熱阻計(jì)算得到,從而為器件的封裝與可靠性設(shè)計(jì)提供參考思路,在器件選型時(shí)也可以提供熱性能參考。

早期對(duì)MOSFET熱阻的研究主要集中在驗(yàn)證不同測(cè)試方法的準(zhǔn)確性、外部環(huán)境改變對(duì)熱阻測(cè)試的影響、芯片設(shè)計(jì)和封裝對(duì)熱阻的影響等等,很少有人研究MOSFET熱阻與柵極電壓的關(guān)系。本文通過(guò)研究對(duì)MOSFET施加不同柵極電壓時(shí)的瞬態(tài)脈沖熱阻,分析MOSFET熱阻的變化規(guī)律,從而選擇合適的柵極工作電壓范圍,避免MOS管在工作過(guò)程中因產(chǎn)生大量熱量而造成損壞的問(wèn)題。

1熱傳輸與熱阻

1.1熱傳輸

根據(jù)熱力學(xué)第二定律,當(dāng)兩個(gè)物體之間存在溫度差時(shí),兩者之間發(fā)生熱量傳遞,熱量從高溫物體傳遞到低溫物體,該過(guò)程是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。

下面用功率器件解釋一下熱量傳遞的過(guò)程:當(dāng)功率器件工作時(shí),在芯片處產(chǎn)生熱量,由于存在溫度差,熱量通過(guò)芯片與封裝體的接觸傳遞到封裝體內(nèi)表面,然后通過(guò)介質(zhì)一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(huán)境中。該過(guò)程稱為傳熱過(guò)程。

在上述熱量傳遞過(guò)程中,熱量從芯片傳遞到封裝內(nèi)表面、從封裝內(nèi)表面?zhèn)鬟f到封裝外表面的過(guò)程和從封裝外表面?zhèn)鬟f到周圍環(huán)境的過(guò)程存在本質(zhì)上的不同。在前兩個(gè)熱量傳遞過(guò)程中,芯片與封裝體之間、封裝體與封裝體之間分子相對(duì)靜止,不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),該過(guò)程被稱為導(dǎo)熱過(guò)程:而在最后一個(gè)熱量傳遞過(guò)程中,環(huán)境中空氣分子與封裝外表面之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),并且空氣分子之間也存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),該過(guò)程被稱為對(duì)流過(guò)程。另外,封裝外表面與周圍環(huán)境中不接觸的物體之間也存在熱量傳遞,該過(guò)程被稱為輻射換熱。綜上所述,一般物體的熱量傳遞過(guò)程由導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱三部分組成。

1.2熱阻

熱阻是熱量傳遞時(shí)所受的阻力,為方便理解,熱阻可表示為施加1w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(duì)器件施加電壓時(shí),器件內(nèi)形成電場(chǎng)產(chǎn)生電流,載流子在電場(chǎng)作用下速度變大。當(dāng)載流子與晶格發(fā)生碰撞后,一部分電能將轉(zhuǎn)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(dāng)芯片溫度升高到大于環(huán)境溫度時(shí),熱量通過(guò)封裝體框架、管體材料向周圍環(huán)境散發(fā)。根據(jù)擴(kuò)散規(guī)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(rèn)為熱量傳遞的路徑只存在于垂直于芯片截面的方向,此時(shí)可以用一維模型計(jì)算熱流密度Q:

式中:K為材料的熱導(dǎo)率(w/cm):負(fù)號(hào)表示熱量從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞。

假設(shè)芯片橫截面積為A,熱量流經(jīng)的長(zhǎng)度為L(zhǎng),則在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),單位時(shí)間內(nèi)芯片產(chǎn)生的熱量等于器件發(fā)散的熱量,即:

將其代入式(1)得:

將式(3)積分得:

令熱阻:

則在動(dòng)態(tài)熱平衡時(shí):

其中式(6)是物理學(xué)熱阻公式,式(7)是數(shù)學(xué)計(jì)算公式。

2測(cè)試方法與原理

在測(cè)試之前,需要選定好合適的溫度敏感參數(shù)7SP、測(cè)試電流Im、溫度校準(zhǔn)系數(shù)K,其中溫度敏感參數(shù)7SP的理論基礎(chǔ)是p-n結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系[3-4]:

式中:vF為p-n結(jié)正向壓降:vg(0)為0K時(shí)價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的電位差:k為玻耳茲曼常量:g為電荷常數(shù):c為依賴于結(jié)面積和摻雜密度的常數(shù):r也是常數(shù):IF為正向電流。

通過(guò)選取合適的7SP,獲得7SP與溫度之間的關(guān)系曲線,從而計(jì)算出結(jié)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7SP:測(cè)試電流Im用于獲取7SP與溫度之間的關(guān)系,Im既不能過(guò)大使芯片產(chǎn)生自熱效應(yīng),也不能過(guò)小無(wú)法使p-n結(jié)導(dǎo)通,獲取不到壓降數(shù)據(jù)。在一定的測(cè)試電流Im下,溫度敏感參數(shù)7SP隨溫度變化曲線斜率的倒數(shù)稱為溫度校準(zhǔn)系數(shù)K,它表示電參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系。

熱阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JESD51-14介紹了一種滿足一維導(dǎo)熱路徑條件的半導(dǎo)體器件結(jié)殼熱阻測(cè)試方法一瞬態(tài)雙界面測(cè)試法,其主要步驟如下:

(1)選取合適的7SP,計(jì)算K系數(shù)。

(2)采集瞬時(shí)結(jié)溫。首先將器件固定在水冷型測(cè)試夾具上,夾具通以冷卻水,如圖l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(tài)時(shí),再將加熱電流IH快速切換至測(cè)試電流Im,在降溫過(guò)程中實(shí)時(shí)采集7SP,經(jīng)過(guò)K系數(shù)換算得到結(jié)溫,繪制降溫曲線。

圖1JESD51-14結(jié)殼熱阻測(cè)試示意圖

(3)把降溫曲線轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶙杩骨€。在器件達(dá)到熱平衡前,器件在任意時(shí)刻均可通過(guò)結(jié)溫計(jì)算出此時(shí)器件的熱阻,此熱阻隨時(shí)間變化而變化,稱為瞬時(shí)阻抗,即:

式中:7J(1)為隨時(shí)間變化的結(jié)溫:7J0為1=0S時(shí)的結(jié)溫:PH為加熱功率。

根據(jù)上述定義,得到熱阻抗曲線。

將器件直接與熱沉接觸以及將器件通過(guò)導(dǎo)熱硅膠與熱沉接觸,按照上述步驟得到兩條對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)熱阻抗曲線。對(duì)同一器件來(lái)說(shuō),其內(nèi)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(dāng)熱量傳遞到封裝表面以后,在不同散熱環(huán)境中的散熱路徑也不同,從而使得熱阻抗曲線發(fā)生變化。因此,兩條熱阻抗曲線的重合部分對(duì)應(yīng)的就是熱量在器件內(nèi)部傳遞路徑的熱阻,兩者的分離點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱阻就是結(jié)殼熱阻。

(4)根據(jù)器件熱阻值的大小確定結(jié)殼熱阻RthJC。通常有兩種方法用于確定結(jié)殼熱阻:對(duì)熱阻值不超過(guò)lK/w的器件,其結(jié)殼熱阻可由熱阻抗曲線的分離點(diǎn)來(lái)確定,如圖2所示[5]:對(duì)熱阻值大于lK/w的器件,其結(jié)殼熱阻可由結(jié)構(gòu)函數(shù)的分離點(diǎn)來(lái)確定(結(jié)構(gòu)函數(shù)由熱阻抗曲線經(jīng)數(shù)學(xué)變換得到),如圖3所示。當(dāng)器件的熱阻值未知時(shí),同時(shí)使用兩種方法測(cè)試,取兩者中的較大值。

圖2熱阻抗曲線分離點(diǎn)

圖3積分結(jié)構(gòu)函數(shù)分離點(diǎn)

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文選擇的器件是上海韋爾半導(dǎo)體公司新開發(fā)的p溝道單芯片MOSFET,暫時(shí)命名為PMOS1、PMOS2,測(cè)試電路板為標(biāo)準(zhǔn)1iich覆銅熱測(cè)試板。

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測(cè)試,得到PMOS1和PMOS2在不同柵極電壓VGS下測(cè)得的熱阻值,如圖4所示。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知,MOSFET的瞬態(tài)熱阻隨VGS絕對(duì)值的增加而減小,對(duì)于不同類型的MOSFET結(jié)論是相同的,并且實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性。

3.2結(jié)果分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以從以下方面分析原因:

從電路的角度來(lái)看,通過(guò)改變柵極偏置電壓可以改變通道的導(dǎo)通電阻。以某一器件為例,其導(dǎo)通電阻特性如圖5所示,當(dāng)溝道完全打開時(shí),導(dǎo)通電阻從60mQ減小到14mQ。此外,基板和打線的電阻約為幾毫歐,對(duì)低導(dǎo)通電阻器件來(lái)說(shuō),當(dāng)通道完全打開時(shí),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(fā)熱量和熱阻。

MOSFET的導(dǎo)通電阻是由以下電阻串聯(lián)而成,因此導(dǎo)通電阻等于這些電阻的和:

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(jì):并且源區(qū)和襯底的摻雜濃度高,電阻比較小,因此源區(qū)電阻RN和襯底電阻RSUB也可忽略不計(jì)。因此,導(dǎo)通電阻主要由溝道導(dǎo)通電阻RCH、JFET區(qū)電阻RJFET、累積層電阻RA和漂移區(qū)電阻RD組成,這些區(qū)域產(chǎn)生的熱量組成芯片內(nèi)部總的熱量。當(dāng)VGS增大時(shí),RCH、RA都會(huì)相應(yīng)減小,從而芯片的發(fā)熱量減少。

在測(cè)試MOSFET的熱阻時(shí),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(jiān)測(cè)點(diǎn)為基區(qū)與漂移區(qū)之間的p-n接點(diǎn),p-n結(jié)可以看作是"溫度計(jì)"。距離上,對(duì)于典型的MOSFET,導(dǎo)電通道與p-n結(jié)之間的距離總是比漂移區(qū)的距離短得多,導(dǎo)電通道比漂移區(qū)更接近p-n結(jié),因此低擊穿電壓MOSFET沿導(dǎo)電通道的導(dǎo)通電阻分布較大,當(dāng)VGS增大時(shí),導(dǎo)電通道電阻相應(yīng)減小,芯片的發(fā)熱量減少。

綜上所述,當(dāng)VGS增大時(shí),器件的芯片發(fā)熱量減少,根據(jù)熱阻計(jì)算公式,芯片熱阻減小。

4結(jié)語(yǔ)

對(duì)大多數(shù)溝道柵MOSFET而言,溝道和漂移區(qū)的物理尺寸對(duì)熱流的擴(kuò)散長(zhǎng)度有顯著影響。晶圓設(shè)計(jì)決定了MOSFET的電阻分布,也影響了瞬態(tài)熱阻。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明,具有高擊穿電壓、厚襯底、漂移區(qū)電阻高的芯片對(duì)瞬態(tài)熱阻測(cè)量中的柵極偏置不太敏感。分析表明,在短脈沖時(shí)間內(nèi),芯片的瞬態(tài)熱性能不僅與封裝過(guò)程有關(guān),還受到芯片結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)柵極偏置變化時(shí),導(dǎo)電通道內(nèi)的峰值溫度點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化,門柵溫度的變化也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電通道內(nèi)的峰值溫度的變化。從改變柵極電壓觀察熱阻測(cè)量的結(jié)果來(lái)看,柵極制造工藝、芯片尺寸、芯片內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的熱電學(xué)性能,包括溝槽、溝道、p-n結(jié)、基材,都會(huì)對(duì)器件的瞬態(tài)熱阻測(cè)量造成影響。