功率MOSFET器件稳态热阻测试原理及影响因素

功率MOSFET器件稳态热阻测试原理及影响因素

申家骏,王莉

大连东软信息学院

摘要：热阻值是评判功率MOSFET器件热性能优劣的重要参数，因此热阻测试至关重要。通过对红外线扫描、液晶示温法、标准电学法3种热阻测试方法比较其优缺点，总结出标准电学法测试比较适合MOSFET热阻测试。在此基础上依据热阻测试系统Phase11，阐述功率MOSFET热阻测试原理，并着重通过实例对标准电学法测试热阻的影响因素测试电流Im、校准系数K、参考结温Tj以及测试夹具进行了具体分析，总结出减少热阻测试误差的方法，为热阻的精确测试以及器件测试标准的制定提供依据。

关键词：热阻测试原理；测试电流；校准系数；参考结温；测试夹具

1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1MOSFE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=KVf+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=KVf+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。

2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。

2.1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0.1~1mA，马春雷[4]等人发现功率型LED的Im在5mA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1~10mA，但是随着器件功率越来越大，其测试电流值已经超过了10mA，达到50mA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。

2.2提高温度校准系数K的方法

采用热导率很低的空气作为传热媒介，传热速度慢，一般要20~30min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。油浴加热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℃。

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。

2.3Tj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GaAs功率MESFET时将器件温升至150℃；有人认为120℃作为大功率LED的参考结温；还有人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。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。

2.4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。

3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。

参考文献：

[1]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.

[2]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.

[3]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