功率器件热阻的测量研究分析

滕为荣 ，居长朝

（1. 苏州大学电子信息学院微电子学系，苏州 215021；2. 快捷半导体（苏州）有限公司，苏州 215021）

1 前言

随着半导体技术日新月异的发展，越来越高的芯片性能和集成度也带来了一个不可回避的问题，这就是散热。根据源自一份美国航空电子的失效分析统计数据，近55%的电子器件失效是和温度相关，由此可见热控制的重要性。

在通常条件下，超过165℃时封装的环氧树脂开始碳化，同时发生释气，即某些材料中捕捉、冷冻或者吸附的气体开始缓慢释放。在低电平条件下，这种释气可以影响芯片的运行功能，因为它给芯片增加了离子和表面效应。连接线可能会传输过高的电流，也会造成塑模材料的碳化，甚至使连接线熔化。荷兰化学家Jacobus H Van’t Hoff 于1884率先提出Arrhenius方程，而瑞典化学家Svante Arrhenius则在五年后对其做出了物理验证和解释。

图1 电子器件失效主要因素分析[1]

K= Ae(-Ea/RT)；

K: 速率系数；

A: 常量；

Ea: 活化能量；

R: 普适气体常数；

T: 以k为单位的温度。

Arrhenius方程起初用于化学反应，描述化学反应随着温度的增加而加快，同样此方程也被用来描述电子器件在高温下的寿命缩短。方程表明，随着温度的升高，电子器件的使用寿命下降，失效率急剧提升，所以在集成电路的设计应用中，如何测量器件的散热能力、如何散热都是至关重要的问题。

图2 结温和失效率的关系曲线[1]

2 结温与热阻

以功率器件为例，器件在应用时受到的热应力可能来自内部，也可能来自外部。器件工作是所消耗的功率需以热能的形式散发出去。表征功率器件热能力的参数有结温和热阻。所谓结温即为器件有源区的温度，其符号为Tj。

热阻用来表征器件散热的能力，即热传导路径上的阻力，表示热传导过程中每散发1W的功率热量，热路两端需要的温度之差，其符号为Rthjx。

T1：热传导中温度高的一侧温度；T2：热传导中温度低的一侧温度；Q：热传导过程中散发的热量。

对于功率器件，根据散热机制的不同，大致可以将热传导分为接触热传导、热辐射、对流热传导等。

可以推导出以下公式：

其中，H为散热板厚度（m），A为接触面积（m2），K为热传导率（W/m℃），h为热传导系数（W/m2℃），ε为表面热发射率，σ= 5.669×10-8W/m2K4（常数）。

在器件的实际测量应用中，将主要通过热接触方式散热的热阻称为Rthjc（Junction-to-case），而将以通过向周围环境进行热辐射和热对流方式为主要散热方式的热阻称为Rthja（Juntion-to-Ambience）。如图4所示。

图3 热传导示意图

图4 散热方式示意图

3 热阻的测量

目前半导体器件工作温度和热阻的测试方法主要有红外热像仪法、电学参数法、光谱法、光功率法等。本文研究内容的原理基于电学测量方法，以TO-220系列封装产品为例，分析测量功率器件最主要的两种参数Rthja和Rthjc。其中Rthja为器件结点到环境的热阻，表征器件向环境散热的能力，Rthjc为器件结点到散热板的热阻。

3.1 结温的校验测试

器件结温的校验测试是用来收集在已知结温条件下的器件特征参数，最终得到一份结温和器件特征参数的关系曲线。此项校验测试是进行热阻测试前的准备条件。具体测试方法为将器件浸在一个装有油的容器中，容器通过加热使油达到一定的温度，在温度稳定情况下可以认为结温等于环境温度。在温度上升的同时，通过使栅极短路、源漏极间加电流测电压的方法在此条件下测试器件的特征参数（Vds），如图5所示。

图5 器件的特征参数和结温的关系校验测试

通过一系列的测试，我们可以发现器件结温升值和源漏间电压的变化量存在很好的线性关系，即有：

其中，K为比例系数，为常量，其单位为℃/V。

器件的不同可能导致曲线的差异，这是由器件的设计结构、制造工艺等很多因素决定的，反应器件的基本特性，如图6所示，测试结果可能是线性也可能是非线性，取决于器件本身。对于非线性的测试结果，越多的测试点意味着更加准确的图形，也为后续的测试结果提供相对更加准确的参考值。

图6 特征参数和结温的关系曲线

3.2 Rthjc和Rthja的测试

如图7所示，对于Rthjc的测试，室温条件下将TO-220器件平放在标准尺寸的铜材散热板上，此时Tc=25℃。而对于Rthja的测试，如图8所示是将器件插立在设计好的PCB板上，散热主要是通过器件本身向周围环境的热辐射完成，室温条件下Ta=25℃。

图7 Rthjc的测试方式

图8 Rthja的测试方式

Rthjc和Rthja测试的共同点是，对器件加热采用的方法是通过功率输出设备将特定功率的信号加到器件上（PDM），使器件加热升温。通常为了便于计算输出功率，使用的信号为脉冲信号，如图9。

图 9 加热信号以及测试采样示意图

在额定功率的信号加到器件后，每个周期采集采样信号的值，采样信号达到平衡以后的值（Vds）表征为器件在加上特定功率的热量后散热功能达到平衡时的特征参数。根据之前的结温校验测试曲线，可以得到相应的结温（Tjmax）。此时我们可以计算出最终的热阻值：

4 热阻的研究

4.1 Rthja热阻测试与方波信号的关系

如前一节所示，器件加热使用的是脉冲信号。下面进一步研究在脉冲信号中其他因素对于Rthja热阻测试的影响。

如图10所示，t1表示方波信号的脉冲宽度，t2为周期长度，D=t1/t2为占空比。通过研究发现在不同的占空比下，不同的脉冲宽度所得到的热阻特征曲线有所不同。如图11所示，纵坐标为不同条件下的热阻相对于稳定条件下的热阻归一化的数值。

图10 测试方波信号

图11 脉冲宽度-热阻特征曲线

实验选取了七种不同占空比（2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%）的方波测试条件，对热阻进行了测试及总结，得到了图11的特征曲线。由此可见，在相同的脉冲宽度下，较大的占空比由于脉冲周期比较短而且加热时间比较长，测试得到的热阻值相对较大。在脉冲宽度t1足够长的时候，则测试结果不受占空比的影响，得到的热阻值等于稳定条件下的热阻值，归一化值为1。

除了脉冲宽度的影响，不同占空比条件、不同周期长度时间下的热阻曲线也有所不同。

如图12所示，实验同样选取占空比分别为2%、5%、10%、30%、50%、70%、90%条件，相同周期时间时，因较高占空比的信号所加能量也相应较高，所以最终得到的热阻值也较高。对于占空比比较低的信号，到达最终平衡所用的时间也比占空比高的信号要长。

图12 周期长度时间-热阻值特征曲线

4.2 Rthja热阻测试与周围环境的关系

在对Rthja的研究中发现，周围环境中风速的变化同样对测试结果有显著的影响。如图13所示，实验设计了不同的空气流通速度，从0ft/min至600ft/min，测试不同风速条件下的值，可以发现随着风速的上升，由于增加了热对流，就相当于并联了一个热阻RCONV，使得最终的热阻值下降。随着风速的增加，RCONV也随之减小，并联后的热阻值也随之下降。

其中，R’thja为风速为零条件下时的Rthja值。

图13 Rthja热阻与环境风速的关系曲线

4.3 Rthjc与芯片实际尺寸之间的关系

在上文提到，Rthjc为通过热接触的方式散热（junction-to-case）的能力。因此在相同的测试条件下，在同一封装条件中，芯片的尺寸大小就是决定散热能力的重要因素。因此Rthjc与芯片尺寸之间关系的研究就很有意义。

此研究中以PQFN56封装条件为例，通过试验采集不同尺寸芯片的Rthjc值，可以得到如图14所示的曲线。

图 14 芯片尺寸与热阻值Rthjc关系图

通过这个曲线我们可以发现，芯片尺寸越小，Rthjc值越大，这是因为较小的尺寸将使得芯片散热面积减少，即便封装条件相同也会导致热传导能力下降，从而导致Rthjc值增加。而随着芯片尺寸的持续增大（因受到封装尺寸的制约，即无限接近适合design rule的最大值），Rthjc值在减少但是趋于平缓。这是因为在某种特定的封装形式下，此时热阻将主要受到封装条件的影响，诸如散热片的尺寸大小、封装材质的热传导率等，而芯片的影响趋于次要。

通过对芯片尺寸与Rthjc之间关系的研究，可以大致推出已知封装条件、已知芯片尺寸功率器件的Rthjc值。这对于评估功率器件所能承受的最大电流有着非常重要的作用。

根据公式（1），我们可以推导得到：

其中T1为器件所能承受的最高温度，T2为测试环境温度，Rdson为MOSFET器件在开启条件下的漏源极间电阻，最终计算出来的结果I即为此芯片在额定最高温度下所能承受的最高电流。所以根据此曲线和关系图，可以大致预估一个器件的Rthjc值，对于评估器件能力有重要的作用。

5 结论

在集成电路设计制造中，热阻的重要性显得尤为重要，器件的散热能力是考量器件能力的重要一环。

通过对功率器件的热阻研究，我们发现很多因素和热阻的能力相关。器件加热的方式不同可能导致测试过程和结果的差异。在测试中可以看到外部环境中风速的增加会使热阻下降，这是由于热对流产生的热交换。除此之外，其他因素也还可能导致热阻的差异，诸如芯片的尺寸、不同热导率的EMC材料等等。通过此实验可以发现一个芯片和Rthjc值之间的关系图，对于预估一个新器件的Rthjc值及评估器件的能力（最大承受电流等）有重大意义。

致谢：

感谢快捷半导体产品工程部胡志平、吕亚飞对本研究提供的帮助和建议，感谢快捷半导体特性测试实验室对实验结果的分析和讨论。

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