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功率VDMOS器件热阻测试

更新时间:2009-03-28

1 引言

随着电力电子技术的发展以及脉宽调制控制的提升,功率VDMOS器件由于其高输入阻抗、快开关速度等特性,在整流、逆变、直流/直流变换、交流/交流变换等领域得到越来越多的应用。国内外各大半导体制造公司都在积极地研制不同型号的功率VDMOS器件。该类型的器件,具有功率器件的通用特性,即在工作的过程中,产生大量的热量使得器件自身的温度升高。这些热量会使器件的性能下降,降低所设计功率变换系统的性能,严重时会损坏系统。依据美国航空电子的统计数据报道,约55%的器件失效都是由于器件的热效应引起的。功率VDMOS器件的散热设计,是功率变换系统设计重点考虑的方面。面对功率变换系统小尺寸化、轻质量等设计的需求,功率VDMOS器件散热问题使半导体制造公司面临的器件热特性问题更加严峻。在器件的众多技术参数中,热阻以温差与输入功率的比值进行定义,是衡量器件热特性的重要参数。

在功率VDMOS器件设计和研制过程中,如何有效地进行其热阻的测量,对指导器件的设计,尤其是封装特性,具有重要意义。本文在介绍功率VDMOS器件热阻测试方法的基础上,针对测试过程中,影响其关键测量精度的因素,进行了分析,为功率器件设计制造过程中热效应降低措施,提供有效地指导思想。

2 热阻模型

当功率VDMOS器件导通时,流经其本身的电流,会在阻抗的作用下,产生热量。这些热量首先会引起芯片结温升高。热量在传输的过程中,从芯片内部向外部空间环境进行扩散。热量扩散性能,可通过热阻技术指标进行衡量。依据整个功率VDMOS器件的构造,相应的热阻可由以下几个环节组成:芯片热阻、烧结热阻、管壳热阻、散热器热阻。上述四部分的关系如图1所示。

  

图1 功率VDMOS器件热阻模型

芯片热阻、烧结热阻、管壳热阻存在器件内部,通常称为热阻。热阻的测量通常以器件结温、管壳温度的差异,与输入功率之比得到,即:

 

(1)

式中,Tj为器件的结温;Tc为器件的管壳温度;P为输入功率。

针对具体的功率VDMOS器件,热阻又可分为稳态热阻和瞬态热阻两大类。稳态热阻为在器件达到热平衡状态时,器件结温、管壳温度之间的温度差,与输入功率的比值。稳态热阻能够反映器件散热的能力。对应的数值越大,散热能力越差,很容易造成器件的故障。该参数能够反映器件在设计制造过程中所选择的管壳、焊料片等工艺。对于过高的热阻阻值,应重新调整其设计封装工艺。瞬态热阻为在器件未达到热平衡状态时,器件结温、管壳温度之间的温度差,与输入功率的比值。该参数主要反映器件的烧结质量,以及同一批次产品的一致性。进行瞬态热阻测试的主要原因为烧结过程难保证一致,以及焊料片质量的不均匀性。烧结空洞和焊料片的氧化,是瞬态热阻大幅增加的主要因素。

3 热阻测试

2月24日,水利部印发《全国水土流失动态监测规划(2018-2022年)》和《国家水土保持监管规划(2018-2020年)》。《两个规划》明确了今后3-5年水土流失动态监测和水土保持信息化监管的总体目标、主要任务和政策措施,是指导水土流失动态监测和水土保持信息化应用的重要依据。

输入功率可通过直流电源直接在源极和漏极之间施加电压的方式获得。在源极和漏极之间施加电压后,源极和漏极之间会流过电流,在器件内部产生热量。目前的直流电源都带有输出功率显示屏。相应的输出功率可通过显示屏直接读取得到。若没有显示屏,可通过在测试电路中,增加电流表和电压表的方式,通过相应的输出值计算得到。

壳温可通过热电偶进行测量。测量过程中,将热电偶与器件外部相连接。利用热电偶输出的电压信号,可计算得到壳温。器件本身是否达到热平衡状态,可依据热电偶的输出信号是否稳定进行判断。

结温无法通过直接测量的方式得到。功率VDMOS器件漏极和源极之间的二极管正向压降VD具有热敏特性。结温的测量可通过该二极管正向压降特性间接计算得到。伴随着结温的不同,二极管正向压降VD不同。二极管正向压降VD与温度的关系,可用温度系数进行衡量。根据温度系数和实际测量的二极管压降,可计算得到结温。温度系数的获取是结温测量的关键。

温度系数的获取建立在数据测试分析基础上。结合油的物理特性,将功率VDMOS器件放置到油锅之中。由于器件和油处于相同的热环境中,因此器件的结温与油锅中的油温是相等的。通过油温的测量,可以得到器件结温的变化情况。油温的测量可通过热电偶测量。将器件的栅极与源极短接,利用电流信号,产生二极管正向压降。通过改变油锅里面油的温度,可得到不同的结温下,对应的不同的二极管正向压降。

4 温度系数计算

数据点的选取,对计算得到的温度系数有效性具有重要影响。数据点涉及的温度范围,应该包含整个可能结温所涉及的温度区间。最低结温可取常温。最高结温为器件所允许的最高温度。为了使最小二乘法从算法上发挥最大优势,在调节油温时,所记录的测量点温度,应为在温度测量范围内进行等间隔分割的温度点。

温度系数反映的是结温和二极管正向压降之间的关系。对于测量得到的结温和二极管正向压降数据(TjiCDi),利用最小二乘法的基本思想计算温度系数的过程如下描述。对于结温测量的温度平均值为:

 

(2)

阈值可表示为:

对现有教学的满意程度较好的占22%(见图2),很好的为 0%,而从教学建议上来看(见图 3),主要是从加强调研的指导工作(占67%),其次是设计课的讲学(张 57%)与软件使用的教学(占 56%),而理论教学与研究能力的提高占比低(分别为43%与 35%),可见学生更多的是期望以实用为主导,即使是高年级与研究生也是期望在用中学,而不是依靠理论教学来提高。

 

(3)

对于任意测得的二极管正向压VDs,对应的结温可表示为:

继续进行新产能建设。除针对新探明储量外,应特别关注处于经济门限边缘的未动用储量,是否因条件变化、技术进步而具备可采性。长期未动用的储量中应该有相当部分在有针对性降本增效措施下可以投入开发、实施新产能建设。这是比较现实的上产目标。

 

(4)

二极管正向压降的平均值为:

Tjs=TKVDs+b

依据式(1)的定义,功率VDMOS器件的热阻测试需要建立在结温、壳温、输入功率三者基础上。

 

(5)

温度系数可表示为:

温泉水电站坝址河谷呈V形,河流纵坡6.9‰。谷底高程870 m左右,两岸山顶高程1 182~1 600 m,右岸自然坡角多在70°~80°之间,局部近于直立。坝址分布下石炭统东图精河组和第四系地层,岩体呈厚层状—块状。坝址基岩强风化层厚2~5 m,弱风化层厚10~15 m。左岸卸荷带水平宽度 3~15 m,顺河长 95 m,垂直深度约65 m;右岸卸荷带水平宽度2~5 m。坝址区地震基本烈度Ⅷ度,大坝抗震设防烈度Ⅷ度。

(6)

通过改变结温的方法,可以得到不同结温下二极管正向压降。如何通过不同温度下的结温,得到温度系数,对热阻的测量具有重要意义。

从委员会的架构可以看出,赫尔辛基委员会的组织架构非常成熟,委员会自上而下内部分工科学、明晰,与外部的整合、拓展和跨界合作也已经得到很好的机制化。波罗的海海洋环保合作重视决策科学性的特色、多元主体的参与的特色、跨界合作的特色等都通过制度化设计的方式得以固定下来。赫尔辛基委员会的良好运行,使得公约和波罗的海行动项目的各项规定和措施得以有效的落实。同时,委员会在海洋环保合作实践过程中不断积累经验、发现问题、积极调整和整合新的政策领域,使得委员会成为一个组织完整性、包容性程度很高的不断成熟的组织。

瓦沙 · 多贝尔莱特,斯洛文尼亚人,1968年开始从事摄影活动,其作品在五大洲的60个国家展出,并获得了100多个奖项,是FIAP在斯洛文尼亚、意大利、波斯尼亚和黑塞哥维那、马其顿、塞尔维亚和克罗地亚等地国际沙龙的评委,2008年,被斯洛文尼亚摄影协会授予 “摄影大师”称号。2008至2015年间,荣获过从EFIAP/B(青铜)到EFIAP/P(白金)的所有奖项。2009年,为表彰他为FIAP所做的特殊贡献,成为ESPIAP。

5 热电偶测量

在壳温和油温的测量过程中,都要用到热电偶进行测量。对于选定的热电偶来说,其测温基本原理如图2所示,主要依据两种不同的金属在同一热环境下会产生不同的接触电动势基本原理,进行温度测量。测量热端温度T时,在冷端T0测得的电势差为:

E=E(T)-E(T0)

(7)

  

图2 热电偶测温基本原理

依据热电偶的分度表,结合测量点测量得到的电势差,可以计算得到被测量点的温度。由式(7)可知,温度计算过程中,还需要冷端的温度。冷端的电势,在热电偶测量误差中占据重要地位。针对热阻测量过程中,所测量的温度主要在200℃以下。在这种低温测量环境下,冷端电势对测量结果的影响更加严重。虽然目前多种补偿方法,被应用于热电偶测量过程中的冷端补偿中,但是低温段的补偿效果并不理想。

考虑到热阻测量环境的特殊性,测试过程中可将冷端放置在恒温状态中。恒温可以通过第三方温度测量装置测量得到具体的温度值。通过查询相应的热电偶分度表,可得到式(7)中所对应的冷端温度所产生的电势。式(7)中对应的电势差,可以通过数字万用表的电压档直接测量得到。结合数字万用表的测量结果,和所得到的冷端电势,可得到被测点的电势。利用热电偶分度表,可以得到被测量点的温度值,实现热电偶的精确温度测量。

该模型的复相关系数R为0.9850,判定系数R2为0.9703,经调整后的判定系数R2为0.9699,F=2344.78,F0.05(5,364)=2.23878,F﹥F0.05,显著水平为0.05,预测精度可达98.34%。

6 结论

功率VDMOS器件的热阻,是衡量器件在输入功率作用下温度改变特性的重要技术指标。热阻的大小,无论从系统设计角度还是从器件研制角度来说,都受到重视。本文以功率VDMOS器件的热阻测量为对象,在分析热阻模型的基础上,给出了具体的测量方法。针对影响热阻测量结果的重要技术途径,结合测试经验,在数据处理方面和热电偶高精度温度测温方面给出了措施,为热阻的精确测量提供基础。伴随着嵌入式微控制器技术的发展,本文能够为热阻自动化测试装置的设计提供技术指导。

参考文献:

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[2] 康锡娥.功率MOSFET器件稳态热阻测试原理及影响因素[J].电子与封装,2015, 15(6):16-18.

[3] 曲晓文,王振民.达林顿管瞬态热阻测试方法的研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2014,32(2):47-50.

[4] 滕为荣,居长朝.功率器件热阻的测量研究分析[J].电子与封装,2011,11(10):18-22.

 
单长玲,许允亮,刘琦,田欢,刘金婷
《机电元件》 2018年第02期
《机电元件》2018年第02期文献

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