翟玉衛(wèi),梁法國(guó),吳愛(ài)華,鄭世棋,喬玉娥,劉霞美

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,石家莊 050051)

基于紅外測(cè)溫的GaNHEMT器件結(jié)構(gòu)函數(shù)法熱阻測(cè)量

翟玉衛(wèi),梁法國(guó)*,吳愛(ài)華,鄭世棋,喬玉娥,劉霞美

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,石家莊 050051)

為了準(zhǔn)確的測(cè)量GaN HEMT的熱阻參數(shù),在兩種不同的管殼接觸熱阻條件下,利用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的顯微紅外熱像儀測(cè)量了GaN HEMT的降溫曲線。采用結(jié)構(gòu)函數(shù)算法對(duì)兩種降溫曲線進(jìn)行分析,得到了反映器件各層材料熱阻的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。當(dāng)管殼接觸層由空氣變化為導(dǎo)熱硅脂時(shí),積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線發(fā)生了變化。通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線能夠明確區(qū)分被測(cè)件不同層的熱阻?？梢詫⒈粶y(cè)件的分成7層結(jié)構(gòu),與器件真實(shí)結(jié)構(gòu)基本一致。

熱阻測(cè)量;結(jié)構(gòu)函數(shù);紅外測(cè)溫;熱阻;GaN HEMT;降溫曲線

基于GaN材料的高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)管(HEMT)具有較高的禁帶寬度、較高的電子遷移率,使其在高頻、高電壓和高功率密度方面的應(yīng)用有著比較突出的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)被廣泛用于大功率脈沖雷達(dá)和空中交通管制系統(tǒng)等[1-2]。然而,由于GaN HEMT較高的功率密度,可能導(dǎo)致嚴(yán)重的自熱效應(yīng),準(zhǔn)確的測(cè)量和評(píng)估其溫度和熱阻等熱特性參數(shù)對(duì)GaN HEMT的性能和可靠性評(píng)定非常重要。

傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試多關(guān)注于結(jié)殼熱阻或結(jié)到環(huán)境的熱阻[3]。近年來(lái),能夠檢測(cè)器件結(jié)構(gòu)熱阻特性的結(jié)構(gòu)函數(shù)方法在功率器件、LED等產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)、可靠性分析等方面得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。結(jié)構(gòu)熱阻檢測(cè)基于降(升)溫曲線測(cè)量和結(jié)構(gòu)函數(shù)分析,該方法不僅可以確定結(jié)殼熱阻或結(jié)到環(huán)境的熱阻,還可以給出器件縱向不同層材料,如:芯片層、粘接層、管殼層、接觸層等各層的熱阻特性[8-11],簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)構(gòu)熱阻。結(jié)構(gòu)熱阻對(duì)器件的熱設(shè)計(jì)、失效分析非常重要,當(dāng)器件某層材料結(jié)構(gòu)或其熱阻特性發(fā)生變化時(shí),結(jié)構(gòu)熱阻曲線能夠直觀的將這個(gè)變化反映出來(lái)。

目前結(jié)構(gòu)函數(shù)法熱阻的測(cè)量基本都采用電學(xué)敏感參數(shù)(TSP)法,測(cè)量被測(cè)功率器件降溫曲線。但是,對(duì)于GaN HEMT而言,電學(xué)敏感參數(shù)法(一般采用正向肖特基結(jié)的電壓)的應(yīng)用受到了一些限制,這主要是由于GaN器件的肖特基結(jié)的特性會(huì)在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生非線性的變化[12],另一個(gè)可能的原因是電學(xué)法測(cè)試需要在測(cè)量電路和加熱電路之間進(jìn)行切換,容易導(dǎo)致器件自激甚至燒毀。

在GaN HEMT熱特性測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用最廣的技術(shù)手段是顯微紅外熱像儀。其特有的發(fā)射率修正功能,使得其可以測(cè)量器件表面各種材料的真實(shí)溫度,而不需要采用黑體涂料等手段去提高發(fā)射率[13]。但是,傳統(tǒng)的顯微紅外熱像儀只能測(cè)周期性重復(fù)的瞬態(tài)溫度信號(hào),不具備降(升)溫曲線的測(cè)量能力[14-16]。

為了解決上述問(wèn)題,對(duì)顯微紅外熱像儀進(jìn)行了改進(jìn),成功測(cè)得了降溫曲線,進(jìn)行結(jié)構(gòu)函數(shù)分析后,完成了對(duì)GaN HEMT結(jié)構(gòu)熱阻的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)詳情

1.1 結(jié)構(gòu)函數(shù)的基本理論

熱阻對(duì)GaN功率器件是一個(gè)非常重要的參數(shù),此類(lèi)器件由多層材料構(gòu)成,如圖1所示。各層材料都對(duì)應(yīng)著各自的熱阻。如芯片層熱阻、粘接層熱阻、管殼熱阻、導(dǎo)熱硅脂熱阻(管殼與熱沉的接觸熱阻)、熱沉熱阻等。

圖1 半導(dǎo)體器件熱阻

常規(guī)的熱阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)或方法(如Mil std 833、JESD51及GJB548等)多關(guān)注于測(cè)量結(jié)到殼的熱阻,但是,結(jié)殼熱阻只是器件總體熱阻的一部分,對(duì)于器件的熱設(shè)計(jì),知道各層材料的熱阻也是非常重要的。

基于結(jié)構(gòu)函數(shù)法的電學(xué)熱阻測(cè)量技術(shù)理論上能夠測(cè)量包括接觸熱阻在內(nèi)的各層材料的熱阻,如圖2所示。其基本原理是,不同層材料的熱阻熱容特性不同,圖2所示的曲線的斜率也會(huì)不同,因此可以通過(guò)曲線斜率的層級(jí)對(duì)應(yīng)器件的層級(jí)得到各層的熱阻(圖2中變化部分為粘接層的熱阻)。

圖2 理想情況下積分結(jié)構(gòu)函數(shù)與熱阻之間的關(guān)系

但是,上述方法的一個(gè)重要前提是器件的熱傳導(dǎo)是一維的,即只是從結(jié)向下傳播,實(shí)際的器件的熱傳導(dǎo)都是三維的,導(dǎo)致各層的曲線斜率變化不會(huì)像圖2中那樣明確,一般都是如圖3所示,結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線不同斜率都是連續(xù)變化的。

圖3 實(shí)際情況下積分結(jié)構(gòu)函數(shù)與熱阻之間的關(guān)系

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 測(cè)試儀器

結(jié)構(gòu)熱阻的測(cè)量首先需要采用高速測(cè)溫的技術(shù)手段或儀器測(cè)量被測(cè)件的降(升)溫曲線(多數(shù)采用降溫曲線),然后利用結(jié)構(gòu)函數(shù)算法對(duì)降溫曲線進(jìn)行反卷積運(yùn)算,得到一條積分或微分曲線,從曲線的斜率或者峰值就基本可以判斷各層材料的熱阻。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)降溫曲線的測(cè)量,對(duì)顯微紅外熱像儀進(jìn)行了改進(jìn),測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。相對(duì)于傳統(tǒng)的顯微紅外熱像儀,該測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)是開(kāi)發(fā)了一套高速數(shù)據(jù)采集裝置,該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非周期性溫度信號(hào)的測(cè)量,這個(gè)功能是原有熱像儀所不具備的[17]。為了實(shí)現(xiàn)上述功能,該系統(tǒng)采用具有14位分辨率的NI5122型高性能數(shù)據(jù)采集卡對(duì)紅外探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行高速采樣,系統(tǒng)采樣率選擇10 Msample/s。

圖4 改進(jìn)的瞬態(tài)紅外設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖

1.2.2 被測(cè)件準(zhǔn)備

被測(cè)件為典型的GaN/AlGaN HEMT器件,其源漏電壓28 V,源漏電流1.428 A,選取被測(cè)件上溫度最高的區(qū)域進(jìn)行降溫曲線的測(cè)量。采用一套匹配測(cè)試夾具降低電子干擾和自激效應(yīng)。被測(cè)件通過(guò)螺釘固定在夾具內(nèi),夾具穩(wěn)定安放在水冷控溫臺(tái)上,夾具底面與控溫臺(tái)之間涂抹一層導(dǎo)熱脂,保證二者具有良好的熱接觸。水冷控溫臺(tái)溫度設(shè)定為70 ℃,其最大散熱功率為200 W,溫度準(zhǔn)確度為1 ℃。

圖5 兩種熱接觸狀態(tài)

在兩種管殼接觸熱阻狀態(tài)下測(cè)量降溫曲線,如圖5所示。首先,在器件管殼與夾具接觸面之間涂抹導(dǎo)熱脂,測(cè)量一次降溫曲線;第2步,擦去器件管殼與夾具接觸面之間的導(dǎo)熱脂,使其介質(zhì)為空氣,測(cè)量一次降溫曲線。將測(cè)得的降溫曲線輸入結(jié)構(gòu)函數(shù)算法軟件中得到反映結(jié)構(gòu)熱阻特性的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。

具體測(cè)試過(guò)程如下:首先,保持器件處于恒定的耗散功率下;器件溫度穩(wěn)定后,啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置開(kāi)始測(cè)量;給器件斷電;數(shù)據(jù)采集裝置工作120 s后停止采集。最終得到降溫曲線,如圖6所示。

圖6 兩種降溫曲線

相較于正向肖特基電壓等電學(xué)敏感參數(shù)法(TSP),紅外測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)件沒(méi)有電接觸,不會(huì)影響器件的工作狀態(tài);也不需要在加熱電路和測(cè)量電路之間進(jìn)行切換,降低了器件的自激;同時(shí)可以直接測(cè)量器件降溫曲線的初始溫度,不需要像電學(xué)法一樣采用曲線擬合的方式得到初始溫度,一定程度上保證了準(zhǔn)確度。

2 結(jié)果和討論

采用了測(cè)試夾具消除器件的自激和實(shí)現(xiàn)良好的電學(xué)匹配,實(shí)際的熱傳導(dǎo)途徑上材料組成如圖7所示,自上而下可分為芯片層、金錫焊料層、管殼層、管殼接觸層、夾具層(銅)、夾具接觸層(導(dǎo)熱脂)和熱沉(水冷散熱片)。

圖7 器件結(jié)構(gòu)

圖8 兩種積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線

兩條降溫曲線對(duì)應(yīng)著不同的管殼接觸層,可以預(yù)見(jiàn),結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線在管殼接觸層部分必然會(huì)發(fā)生變化。利用結(jié)構(gòu)函數(shù)算法對(duì)兩種管殼接觸熱阻條件下的降溫曲線進(jìn)行分析,得到的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)如圖8所示。

可以看到,在0～1.078 K/W之間兩條曲線基本重合,這代表兩次測(cè)量過(guò)程中在這個(gè)熱阻范圍內(nèi)熱流經(jīng)過(guò)的路徑是相同的。根據(jù)圖7的結(jié)構(gòu)可見(jiàn),兩次降溫曲線測(cè)量過(guò)程中只有管殼接觸層發(fā)生了變化,芯片層到管殼層的材料結(jié)構(gòu)是不變的,所以其熱阻和熱容也應(yīng)該是完全一致的,證明圖8的結(jié)果是正確的。這是JESD 51-14成立的基本理論依據(jù),因此,該器件的結(jié)殼熱阻是1.078 K/W。

當(dāng)熱阻大于結(jié)殼熱阻時(shí),兩條曲線發(fā)生了分離,這是因?yàn)楣軞そ佑|材料發(fā)生了變化,導(dǎo)熱硅脂熱導(dǎo)率高于空氣,熱阻小于空氣,所以?xún)蓷l結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的接觸熱阻層發(fā)生了變化,且接觸材料為導(dǎo)熱硅脂的總熱阻小于接觸材料為空氣的總熱阻。

另外,兩次測(cè)量中只有管殼接觸層材料發(fā)生了變化,夾具層、夾具接觸層和熱沉都沒(méi)有發(fā)生變化,所以?xún)蓷l結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的代表上述熱阻的部分及曲線的尾部應(yīng)該是重合的,對(duì)圖8的曲線進(jìn)行橫向平移,得到如圖9所示的結(jié)果。兩條曲線的尾部是重合在一起的,重合的部分代表管殼接觸層下未發(fā)生改變的部分的熱阻,與理論預(yù)期是一致的。

圖9 平移后的兩種積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線

由上述分析結(jié)果可知,當(dāng)被測(cè)件縱向熱傳導(dǎo)路徑上某層材料發(fā)生變化時(shí),通過(guò)紅外測(cè)溫得到的降溫曲線及其結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線會(huì)發(fā)生明顯的變化,尤其是積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線能夠?qū)l(fā)生變化的材料所處的位置也體現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)器件某層結(jié)構(gòu)發(fā)生缺陷時(shí),就可以通過(guò)積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對(duì)缺陷層進(jìn)行定位。這說(shuō)明,采用紅外設(shè)備測(cè)量GaN HEMT降溫曲線的方法可以得到各層材料的結(jié)構(gòu)熱阻。

在此基礎(chǔ)上,根據(jù)結(jié)構(gòu)熱阻測(cè)量的基本原理,積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的斜率改變就意味著材料發(fā)生了變化,可以將管殼接觸熱阻為導(dǎo)熱脂的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線分為如圖10所示的7個(gè)部分。

與被測(cè)件實(shí)際的熱傳導(dǎo)路徑結(jié)構(gòu)相比,二者基本一致。但是,圖10沒(méi)有將芯片層各層材料熱阻區(qū)分開(kāi),只是得到了芯片層整體熱阻。分析其原因,被測(cè)件芯片層熱阻較小,需要降溫曲線的時(shí)間分辨率非常高才有可能區(qū)分芯片和焊料,這里采用的改進(jìn)過(guò)的紅外熱像儀的最高時(shí)間分辨率為0.1 ms,相對(duì)于電學(xué)法最高1μs的采樣間隔,可能不足以將芯片層熱阻反映出來(lái)。

圖10 確定器件分層

3 結(jié)論

用改進(jìn)的顯微紅外熱像儀測(cè)量了典型GaN HEMT降溫曲線,并通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)法分析得到了器件的結(jié)構(gòu)熱阻。通過(guò)測(cè)量不同的管殼接觸熱阻條件下的結(jié)構(gòu)熱阻確認(rèn)了采用本方法可以檢測(cè)GaN HEMT的各層材料的熱阻及其變化。該方法避免了基于電學(xué)法容易誘發(fā)GaN器件自激的缺點(diǎn),能夠測(cè)量任何工作條件下GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)熱阻,這是其最大的優(yōu)點(diǎn)。

由于噪聲的干擾,測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為0.1 ms,因此,本方法不能準(zhǔn)確區(qū)分芯片層和焊料層,目前也無(wú)法區(qū)分熱阻較小的材料。因此,后續(xù)將繼續(xù)在降低紅外測(cè)溫噪聲,提高降溫曲線時(shí)間分辨率方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究,以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片熱阻的檢測(cè)。

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ThermalResistanceMeasurementforGaNHEMTUtilizingStructureFunctionMethodBasedonIRTemperatureTest

ZHAIYuwei,LIANGFaguo*,WUAihua,ZHENGShiqi,QIAOYu’e,LIUXiamei

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

In order to measure the thermal resistance of GaN HEMT accurately,under two different thermal contact conditions between case and fixture,cooling curves were measured using an improved IR microscope,respectively. Structure function method was used to deal with the cooling curves,the cumulative structure function curves which show the thermal resistances of layers in GaN HEMT were obtained. When the material between case and fixture was changed from air to thermal grease,the cumulative structure function curves changed obviously. Thermal resistance of different layers of DUT can be distinguished from structure function curves,the DUT was divided into a 7 layers structure,that was approximately consistent with the real device structure.

thermal resistance measurement;structure function;infrared temperature test;thermal resistance;GaN HEMT;cooling curve

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.002

2016-09-01修改日期2016-10-17

TN325.3

A

1005-9490(2017)05-1060-05

翟玉衛(wèi)(1983-),男,河北石家莊人,工學(xué)碩士,工程師,主要從事半導(dǎo)體器件熱可靠性檢測(cè)與分析方面的研究工作,kaoyan071@126.com。

梁法國(guó)(1983-),男,山東聊城人,碩士,研究員級(jí)高工,主要從事微電子計(jì)量測(cè)試方面的研究工作,liangdao@163.com。