用结构函数法测量GaN HEMT与夹具的界面层热阻

翟玉卫，梁法国，郑世棋，刘 岩，吴爱华，乔玉娥，刘霞美

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

基于GaN材料的高电子迁移率场效应管（high electron mobility transistor，HEMT）已经开始广泛应用于雷达等大功率场合[1-2]。然而，由于GaN HEMT较高的功率密度，可能导致严重的自热效应，准确测量其热阻参数对GaN HEMT有着重要的意义。

GaN HEMT一般由多层材料组成，传统的稳态热阻测试多关注于结壳热阻或结到环境的热阻[3]，不能有效检测各层材料的热阻，而各层材料的热阻对器件的热设计、失效分析非常重要。近年来，能够检测器件不同层材料热阻的结构函数方法在功率器件、LED等产品的热设计、可靠性分析等方面得到了广泛的应用[4-7]。结构函数法需要首先获取被测器件的降温曲线，根据获取降温曲线的数量的不同可以分为传统单界面法和双界面法[8]，总之，结构函数热阻测量方法可以给出器件纵向不同层材料，如：芯片层、粘接层、管壳层、接触层等各层的热阻特性及其变化[9-10]。

目前，结构函数法测量热阻多数都采用电学敏感参数（TSP）法测量降温曲线。但是，由于GaN器件的肖特基结的非线性变化[11]及GaN HEMT器件的自激导致TSP法应用受到了限制。针对该问题，刘岩[12]、翟玉卫等[13]利用瞬态红外测温装置实现了对双界面条件下降温曲线的测量，进而通过结构函数法分析得到了GaN HEMT的结壳热阻。

另一个与GaN HEMT热阻测试一般都是将被测件固定在测试夹具上进行的，器件和夹具之间的界面层材料多数是导热硅脂或其他导热材料。因此，准确测量界面层材料的热阻能够指导器件使用人员合理地选择界面材料，从而保证器件工作在可靠的结温下。

为了解决上述问题，本文依据瞬态双界面法获取降温曲线，采用改进的显微红外热像仪和结构函数算法实现对器件和夹具的界面热阻的测量。

1 实验详情

1.1 实验方法

实际的半导体器件的热传导都不能满足一维热传导的理想条件，并且由于结构函数计算过程中引入了反卷积算法和滤波算法，导致结构函数曲线无法准确地分辨各层材料的分界点和热阻值[14]，只能进行半定量的观察。为了更加准确地测量结壳热阻，JEDEC在2010年推出JESD51-14Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junction-to-case of semiconductor devices with heat flow through a single path[8]，其中定义了瞬态双界面法 （transient dual interface test method，TDIM），专门用于结壳热阻的测量。该方法的基本原理是，在相同的功耗条件下，器件各部分的热阻和热容值是固定的，此时如果管壳与热沉之间的接触材料发生变化，结构函数曲线必然发生分离，因此，可以根据分离点的位置确定结壳热阻，如图1所示，K是热容对热阻的偏微分。

图1 双界面法测量结壳热阻

上述方法只对结壳热阻的测量进行了规定。由于双界面法测量过程中只有管壳和夹具的接触层发生了变化，所以除了结壳热阻之间的曲线是重合的，夹具到热沉之间的曲线也应该是重合的，所以，根据双界面法判断结壳热阻分离点的方法，分两次将结壳热阻分离点和夹具热沉的分离点进行提取，可较为准确地确定管壳与夹具界面层的热阻。

1.2 实验过程

结构函数法热阻的测量首先需要采用高速测温的技术手段或仪器测量被测件的降（升）温曲线（多数采用降温曲线）。为了消除GaN器件自激等问题，本文采用文献[12-13]中提出的改进型红外测温装置测量降温曲线。

被测件为典型的GaN/Al GaN HEMT器件，其源漏电压28V，源漏电流1.428 A，选取峰值结温点进行降温曲线的测量。采用一套匹配测试夹具降低自激效应。被测件通过螺钉固定在夹具内，夹具稳定安放在水冷控温台（热沉）上，夹具底面与控温台之间涂抹一层导热脂，保证二者具有良好的热接触。水冷控温台温度设定为70℃，其最大散热功率为200W。

在两种管壳接触热阻状态下测量降温曲线，如图2所示。1）在器件管壳与夹具接触面之间涂抹导热脂，测量一次降温曲线；2）擦去器件管壳与夹具接触面之间的导热脂，使其介质为空气，测量一次降温曲线。将测得的降温曲线输入结构函数算法软件中得到反映结构热阻特性的积分结构函数曲线。两次测得的降温曲线如图3所示。

图2 两种热接触状态

图3 两种降温曲线

2 结果分析

利用结构函数算法对图3中两种管壳接触热阻条件下的降温曲线进行分析，得到的微分和积分结构函数曲线如图4所示。可以看到，两种状态下的积分结构函数曲线与微分函数曲线都与理论曲线有着很大区别，无法直接由这些结构曲线确定器件各部分材料的热阻和热容值。

图4 两种状态下的结构函数曲线

根据JESD51-14中规定的分离点确定算法，可以由图4中两条积分结构函数曲线确定结壳热阻分离点为1.078K/W，如图5所示。

图5 两种状态下的积分结构函数曲线

可以看到，两条积分结构函数曲线所反映的热阻有着明显的差异。管壳界面材料为导热硅脂的曲线总热阻R1小于管壳界面材料为空气时的总热阻R2，这是由于导热硅脂的导热性比空气好，其热阻小；而在0～1.078K/W之间两条曲线基本重合，表明两次测量过程中在这个热阻范围内热流经过的路径是相同的。根据图2的结构可见，两次降温曲线测量过程中只有管壳于夹具接触层材料发生了变化，芯片层到管壳层的材料结构是不变的，所以其热阻和热容应该是完全一致的，证明图5的结果是正确的。因此，可确定该器件的结壳热阻Rj-c是1.078K/W。

当图5中热阻大于结壳热阻时，两条曲线发生了分离，这是因为管壳接触材料发生了变化，导热硅脂热阻小于空气，所以两条结构函数曲线的接触热阻层发生了变化。但是，两次测量中夹具层、夹具界面层和热沉都没有发生变化，所以根据双界面法的原理，两条结构函数曲线代表上述热阻的部分即曲线的尾部应该是重合的。对图5的曲线进行横向平移，得到如图6所示的结果。两条曲线的尾部是重合在一起的，重合的部分代表管壳接触层下未发生改变的部分的热阻Rf-s，与理论预期是一致的。采用确定结壳热阻的方法确定Rf-s的分离点，得到Rf-s为0.404K/W。则两个分离点之间的热阻就是管壳与测试夹具界面层的热阻。图6中确定了界面材料为空气介质时的界面材料热阻为1.105K/W。参照上述做法同样可得到导热硅脂的热阻为0.657K/W。

图6 平移后的积分结构函数曲线

根据瞬态双界面法原理，两种状态下总热阻的差是由接触热阻不同引起的，也就是说接触热阻之差应该等于总热阻之差。这里得到的结果显示界面材料热阻之差为0.448 3K/W，两条曲线总热阻之差为0.448K/W，二者一致，证明本方法准确。

3 结束语

采用改进的显微红外热像仪获得了典型GaN HEMT器件在两种管壳界面材料条件下的降温曲线，利用结构函数法得到其结构函数曲线。参照JESD51-14中提出的瞬态双界面法，分别确定了结壳热阻分离点和夹具到热沉的热阻分离点，利用总热阻减去结壳热阻和夹具到热沉的热阻就可以实现对管壳与夹具界面材料热阻的测量。

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