氮化镓功率器件管壳接触热阻测量方法与流程

本发明涉及功率器件热阻检测技术领域，具体是一种氮化镓功率器件管壳接触热阻测量方法。

背景技术：

热阻对GaN功率器件是一个非常重要的参数，此类器件由多层材料构成，如图10所示。各层材料都对应着各自的热阻，如芯片层热阻、粘接层热阻、管壳热阻、导热硅脂热阻（管壳与热沉的接触热阻）、热沉热阻等，如图11所示。

常规的热阻测试标准或方法（如Mil std 833、JESD51及GJB548等）多关注与测量结到壳的热阻。但是，对于真实的器件而言，结壳热阻只是总体热阻的一部分，由于壳与恒温平台或热沉之间的接触条件不同，其接触热阻会有明显的差异，直接影响使用条件下的结温及器件的可靠性。所以，测量管壳与热沉的接触热阻对GaN功率的设计和可靠性研究也是非常必要的。

目前，用于热阻测量的技术有电学原理的热阻测试方法和光学原理的热阻测试方法。图12是粘接层良好的器件各层结构图，基于结构函数法的电学热阻测量技术理论上能够测量包括接触热阻在内的各层材料的热阻。其基本原理是，不同层材料的热阻热容特性不同，图13所示的曲线的斜率也会不同，因此可以通过曲线斜率的层级对应器件的层级得到接触热阻（图13中为粘结层良好的被测器件且接触热阻为导热硅脂的热阻曲线图）；图14为粘接层缺陷与粘接层良好时的理想热阻对比曲线，图14中虚线为粘接层缺陷的热阻，实线为粘接层良好的热阻。但是，上述方法的一个重要前提是器件的热传导是一维的，即只是从结向下传播，但是，实际的器件的热传导都是三维的，导致各层的曲线斜率变化不会像图13中那样明确，一般都是如图15所示，结构函数曲线不同斜率都是连续过度的很难明确分辨各层材料热阻的分界点，正是上述原因导致，直接采用结构函数曲线的方法不仅无法准确测量接触热阻，也无法准确测量结壳热阻。

正是出于上述考虑，国际标准组织——国际固态电子器件委员会在2010年公布了最新的结壳热阻测量标准JESD51-14《Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction-to-Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path》，该标注规定，为了准确测量结壳热阻，需要在不同的接触热阻条件下测量两次结构函数曲线，通过曲线的分离点确定准确的结壳热阻的值，如图16所示。

上述方法有效的解决了直接采用结构函数曲线测量结壳热阻不准确的问题，但是，并没有规定测量管壳与载体之间接触热阻的方法。此外，上述标注基于电学法测温，电学法热阻测试技术虽然应用较为普遍，但是，它在GaN等新材料器件的热阻测试上还不是特别成熟，这些器件强烈的自激效应往往导致无法进行有效的测量。

红外测温装置适用于任何种类的微波功率器件。对于微波功率器件而言，不同条件下的温度或其变化可以反映器件的不同特性，如：显微红外热成像装置可以获取器件不同部位温度的分布，这为器件的热设计和失效分析提供了有力的支持；瞬态红外设备能够测量器件某一部位温度随时间周期性变化的情况，这有效的支撑了对脉冲大功率器件的热特性研究工作。

但是，传统的红外测温技术只能测量器件的结温，要用热电偶监测壳温、或热沉温度才能测量器件的结壳热阻或结到环境的热阻，不能测量降温曲线，不能实现结构函数特性的分析，其不具备测量接触热阻的能力。

现有技术优、缺点情况介绍如下：

现有微电子器件热阻测量方法的优点有：

1）电学法应用普遍，成熟度高，且制定了一系列国际标准，在传统的硅、砷化镓器件的热阻测量领域占主导地位；

2）显微红外法可以实现成像式检测，得到不同部位的温度分布情况，能够分辨微小结构的温度分布，具备较高的空间分辨力，热阻测量准确度较高；

3）瞬态红外法可以检测周期性高速变化的温度信号，有效满足对于脉冲工作条件下大功率器件的热阻测量需求；

现有方法的缺点如下：

1）电学法会影响器件的工作状态，且无法测量GaN 、HEMT等新兴大功率器件；

2）现有国际标准中没有给出准确测量接触热阻的方法；

3）显微红外法测量速度较慢，只能测量结壳热阻或者结到载体的总体热阻，不具备某一层结构热阻测量的功能，无法测量管壳与载体的接触热阻；

4）瞬态红外法只是针对周期性温度信号进行测量的，无法实现对器件各层热阻的测量，也就无法测量接触热阻。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种氮化镓功率器件管壳接触热阻测量方法，利用瞬态红外测温设备测量器件在两种不同热阻抗条件下的降温曲线，用结构函数法分析两条降温曲线，得到积分结构函数曲线，经过两次曲线对比确定接触热阻，实现对氮化镓功率器件管壳与载体接触热阻的测量，准确性高。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种氮化镓功率器件管壳接触热阻测量方法，包括以下步骤：

1）用瞬态红外测温设备测量器件两种接触热阻条件即高热阻条件和低热阻条件下的两条降温曲线；

2）用结构函数法得到两条降温曲线的两条积分结构函数曲线；

3)利用积分结构函数曲线得到结壳热阻的值：根据瞬态双界面结壳热阻测量方法，两条积分结构函数曲线的分离点的横坐标对应的就是结壳热阻，所以通过观察两条曲线的分离点可以确定结壳热阻，此点是接触热阻的起点；

4)平移低热阻曲线得到高热阻条件下的接触热阻：横向平移低热阻曲线，使其右端与高热阻曲线重合，重合的部分代表载体热阻、载体与控温平台的接触热阻，两条曲线的分离点就是高热阻条件下接触热阻的终点；

平移高热阻曲线得到低热阻条件下的接触热阻：横向平移高热阻曲线，使其右端与低热阻曲线重合，重合的部分代表载体热阻、载体与控温平台的接触热阻，两条曲线的分离点就是低热阻条件下接触热阻的终点；

5）高热阻条件下接触热阻的终点与接触热阻的起点之差即为高热阻条件下的接触热阻；

低热阻条件下接触热阻的终点与接触热阻的起点之差即为低热阻条件下的接触热阻。

其中，两种接触热阻条件中，选用的高热阻条件下的接触材料为空气，低热阻条件下的接触材料为导热硅脂或铟片。

其中，两种接触热阻条件中，选用的高热阻条件下的接触材料为导热硅脂，低热阻条件下的接触材料为铟片。

其中，所述瞬态红外测温设备为瞬态红外温度测量系统，瞬态红外温度测量系统包括红外辐射探测器、放大电路、数据采集卡及工控机，红外辐射探测器与放大电路的信号输入端连接，用于采集被测器件发出的红外辐射信号；放大电路与数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的红外辐射信号进行放大处理；数据采集卡与工控机进行双向数据交互，用于根据工控机的控制进行数据采集，工控机用于处理数据采集卡采集的数据，并将采集卡采集的电信号转换为温度数据进行存储并显示；其中，工控机内设有控制软件模块和数据处理及显示软件模块，测量系统工作时，通过控制软件模块选择数据采集卡的工作模式，数据处理及显示软件模块用于处理并显示采集的数据。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明利用瞬态红外测温设备测量器件在两种不同接触热阻的条件下的降温曲线，利用结构函数法确定壳与接触材料的热阻分离点、接触材料与热沉的热阻分离点，两个分离点之间的热阻即为接触热阻。

本发明以国际通用结壳热阻测量标准为基础，可以有效的检测GaN功率器件管壳与载体之间的接触热阻。利用该发明可以有效对包括GaN功率器件在内的各种微波功率器件进行设计和对其它热阻特性进行研究。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明采用空气作为接触材料时被测器件各层结构图；

图3是本发明采用导热硅脂作为接触材料时被测器件各层结构图；

图4是本发明两种不同接触热阻条件下的降温曲线；

图5是本发明两种不同接触热阻的积分结构函数曲线；

图6是器件的结壳热阻；

图7是器件高热阻条件下的接触热阻；

图8是器件低热阻条件下的接触热阻；

图9是本发明中瞬态红外温度测量系统结构图；

图10是现有技术中器件各层结构图；

图11是图10的热阻结构图；

图12是粘接层良好的被测器件结构图；

图13是粘接层良好的被测器件积分结构函数与热阻的关系图；

图14是粘接层良好的被测器件积分结构函数与粘接层缺陷的被测器件热阻的关系图；

图15是实际情况下被测器件积分结构函数与热阻之间的关系图；

图16是双界面法结壳热阻测量结果图；

图中：1、被测器件；2、空气；3、热沉；4、导热硅脂；5、管壳；6、粘结层；7、芯片；8、热阻；9、热容；10、冷板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明属于功率器件热阻检测领域，研究一种利用结构函数法测量GaN功率器件管壳与载体（热沉、测试夹具或散热平台）之间接触热阻的方法。该方法用瞬态红外测温设备测量器件在两种不同接触热阻下的降温曲线，采用结构函数分析方法获取其积分结构函数曲线，根据国际标准JESD51-14的基本原理，利用两条积分结构函数曲线确定接触热阻的大小。

本发明的测量步骤，如图1所示：

1、在不同的接触条件下测量降温曲线

用瞬态红外温度测量系统（如图9所示）对每一只被测器件1，需要测量两种接触条件下的两条降温曲线。首先，如图2所示，在器件管壳与夹具接触面之间无导热硅脂（即接触热阻为空气）时测量一次降温曲线；第二步，如图3所示，在器件管壳与夹具接触面之间涂抹导热硅脂（即接触热阻为导热硅脂）时测量一次降温曲线，得到如图4所示的两条降温曲线。

其中，瞬态红外温度测量系统包括红外辐射探测器、放大电路、数据采集卡及工控机，红外辐射探测器与放大电路的信号输入端连接，用于采集被测器件发出的红外辐射信号；放大电路与数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的红外辐射信号进行放大处理；数据采集卡与工控机进行双向数据交互，用于根据工控机的控制进行数据采集，工控机用于处理数据采集卡采集的数据，并将采集卡采集的电信号转换为温度数据进行存储并显示；其中，工控机内设有控制软件模块和数据处理及显示软件模块，测量系统工作时，通过控制软件模块选择数据采集卡的工作模式，数据处理及显示软件模块用于处理并显示采集的数据。

2、用结构函数法分析两条降温曲线

将测得的如图4所示的两条降温曲线，（横轴为时间，纵轴为温度）输入到结构函数分析软件中进行分析，可以得到积分结构函数曲线，如图5所示（横轴为热阻，纵轴为热容）。

3、由积分结构函数曲线确定接触热阻

3.1由两条积分结构函数曲线得到结壳热阻

根据瞬态双界面结壳热阻测量方法，两条积分结构函数曲线的分离点的横坐标对应的就是结壳热阻，所以通过观察两条曲线的分离点可以确定结壳热阻，如图6所示，结壳热阻为1.078K/W。此点是接触热阻的起点。

3.2平移两条积分结构函数曲线得到高热阻条件下接触热阻

横向平移低热阻曲线，使其右端与高热阻曲线重合，如图7，重合的部分代表载体热阻、载体与控温平台的接触热阻，两条曲线的分离点就是高热阻条件下接触热阻的终点。可见，高热阻条件下接触热阻为1.105K/W。

3.3平移两条积分结构函数曲线得到低热阻条件下接触热阻

横向平移高热阻曲线，使其右端与低热阻曲线重合，如图8，重合的部分代表载体热阻、载体与控温平台的接触热阻，两条曲线的分离点就是低热阻条件下接触热阻的终点。可见，低热阻条件下接触热阻为0.6567K/W。

其中，高热阻条件下接触热阻的终点与接触热阻的起点之差即为高热阻条件下的接触热阻；低热阻条件下接触热阻的终点与接触热阻的起点之差即为低热阻条件下的接触热阻。

其中，选用的两种接触材料的热阻应不同，一般选用空气、导热硅脂也即图中标注的导热脂、铟片中的任一两种。

根据瞬态双界面法原理，两种接触条件下总热阻的差是由接触热阻不同引起的，也就是说高热阻条件下接触热阻的终点与低热阻条件下接触热阻的终点之差应该等于总热阻之差，由本发明得到的结果可知，高热阻条件下接触热阻1.105K/W与低热阻条件下接触热阻0.6567K/W之差为0.4483K/W，而两条曲线总热阻之差为0.448K/W，二者一致，证明了本发明方法的准确性。

本发明以国际通用结壳热阻测量标准为基础，可以有效的检测GaN功率器件管壳与载体之间的接触热阻。利用该发明可以有效对包括GaN功率器件在内的各种微波功率器件接触热阻及其它热阻特性进行研究。