共阴极肖特基二极管的热阻测试方法

  1. 引言
  功率半导体器件决定了电路系统的工作效率，物理尺寸和制造成本等因素，因此具有低功耗和低成本、高叫靠性和高稳定性，小型化功率半导体器件是研发人员的追求，功率半导体器件一般用于发电、变电和输电、这就是原始意义上的电力电子器件，其主要应用领域是开关电源、电机驱动与调速、电信电路、高压DC传输系统等，因此器件散热是不可忽视的问题，如何将器件产生的热量更好的散发出去，衡量功率器件本身散热能力好坏的热阻参数将变的更加重要。
  以共阴极肖特基二极管为例，在传统单芯片热阻测试方法的基础上，基于线性叠加原理，利用有限元仿真技术，提出共阴极二极管的热阻表示方法热阻矩阵，并通过传统热阻测试、有限元仿真和热阻矩阵三种方式对共阴极肖特基二极管进行热阻测试，结果表明，热阻矩阵的测试方法比传统的热阻测试方法更加适用于共阴极肖特基二极管，除此之外还能在很大程度上降低测试成本，同时节约测试时间。
 
  2. 单芯片热阻测试
  2.1共阴极肖特基二极管介绍
  二极管芯片有两个电极，阴极和阳极。将两个独立的二极管芯片，封装到具有三个电极的三极管外形中，如图1所示管脚1代表一个芯片的阳极，管脚2代表阴极(共阴极)，管脚3代表一个芯片的阳极。

  一般外文资料上会给出需要测试的热阻如表1所示。在表中需要测试两个热阻值，即每1个独介芯片结到売的热阻和整个器件结到売的热阻。   获得结温和压降的关系之后，就可以进行单芯片热阻测量。给1号芯片施加16A脉冲电流，使得器件发热，同时测试设备会每个周期采集采样信号的值，采样信号达到平衡以后的值(V_F)表征为器件在加上特定功率的热量后散热功率达到平衡时的特征参数，根据之前获得结温和压降的关系，即K值，可以获得此时的T_j，经过计算可以获得1号芯片热阻值，同样获得2号芯片的热阻值。
 
  2.2热阻定义
  根据现有的电子传热标准热阻值得定义如下：   热阻表示热传导过程中每散发1W的功率热量，热路两端需要的温度之差。一般用℃/W为单位，其中T_j为热传递到芯片某点的结点温度，T_c为器件管壳温度，Q为输入的发热功率。
因此在测试热阻时，需要知道发热功率、管壳温度、结温才能最终获得热阻值在热阻测试过程中，发热功率是在测试过程中给器件施加的，这已经足知道的，管売温度可以利用恒温槽或热偶直接测量获得，但是结温无法直接获得，因此最关键的是要获得结温。
 
  2.3结温测量
  测量结温的方法有红外热像仪法、光谱法、光功率法，电学参数法等，但是最简单、最精确的测试结温的方法是电学法。电学法利用所有半导体结的固有特性：在小电流下，半导体结正向导通压降和温度线性关系、此时获得的图形一般被称为器件的K线图，本次结温测试是使用Phase 12完成的，其结温测试图形如图2所示。
  对共阴极二极管中的单管芯热阻采用传统的热阻测试结果如表2所示，但是该项目还需要测试整个器件的热阻、并且要求用的测试条件是每个芯片施加16A电流，按照传统热阻测试方法，需要将两个芯片并联，行成一个整体芯片，也就是说测试设备的能力要超过32A才可以，但实际上热阻测试设备的测试能力在20A以内，要想提升测试能力，也就意味着要购买大功率设备，这无形中就增加了测试成本。  
  3. 整个器件热阻测试
  3.1传统的多芯片热阻测试方法
  共阴极二极管内部封有两个独立二极管，是由两个热源组成的，属于多芯片器件，在多芯片热阻测试方面，芯片之间的热耦合作用是存在的，因此在表1中整个器件的热阻测试就不能采用传统测试方法，，对于多芯片热阻测试，国外许多学者已有很多这方面的研究，提出了一些测试方法。
  (1)平均热阻测试方法
  多芯片热阻可以通过器件的平均结温(T_javg)和整个器件的总功耗(Q)来表示：   (2)独立芯片热阻表示法
  根据器件内部各自产生的功耗Qi，用各自结到壳的热阻R_the-i来表示多芯片组件的热阻：   但是上述两种热阻的表示方法，都存在各自的不足之处。其中平均热阻表示方法没有考虑内部各功率芯片的分配和变化问题，并且只能给出各功率芯片的平均温度，不适用于功率芯片的结温有较大差异的情况。而独立芯片热阻表示方法，没有考虑大芯片之间的耦合热传递作用，在实际应用中芯片之间的热耦合作用是不能被忽略的。
 
  3.2热阻矩阵测试方法
  考虑到多芯片和混合电路热测试中出现的问题。Phase系列热阻测试设备的创始人约翰博士提出线性叠加原理进行多芯片热阻测试即热阻矩阵。   其中R、Q、∆T分别代表如下含义：   式(5)代表的是热阻矩阵，R₁₁是1号芯片通过自身加热，由单位功耗引起的温度增加值，R₁₂表示的是2号芯片本身没有被加热，但是由于1号芯片被加热，受到热耦合，造成其有一定的温升，给整个器件带来一定的热阻值，如此类推，R₂₁是2号芯片由1号芯片的热耦合引起的温度增加值，R₂₂由2号芯片单位功耗引起的温度增加值，在实际的热阻测试过程中，我们将会获得R₁₁、R₁₂、R₂₁和R₂₂的值，同时也会知道所施加的功率Q₁和Q₂，通过公式2可，以获得∆T₁、∆T₂利用计算公式(8)获得整个器件的热阻值。
  共阴极二极管的热阻   经过试验获得的每个热源的热阻值如表3所示。  
  3.3有限元仿真
  根据热阻矩阵公式，要想获得整个器件的热阻，必须先获得每个热源的热阻值和相应的加热功率，计算获得∆T₁、∆T₂。采用大型商用有限元分析软件ANSYS17.0，根据实际封装中使用的主要材料如表4所示，建立共阴极肖特基二极管的分析模型如图3所示。   从图3可以清楚的看到两个独立的二极管芯片，根据线性叠加原理，分别对每个芯片施加独立的功率，获得每个芯片的热阻值。首先给其中一个芯片施加10W的功率，利用ANSYS有限元软件获得每个芯片的热阻值，其次给另外一个芯片施加10W的功率，再次获得每个芯片的热阻值。
 
  3.4 测试结果比对
  使用传统的热阻测试方法、热阻矩阵和有限元仿真三种方法实现了共阴极肖特基二极管的热阻测试(单管芯和双管芯热阻}。通过对表2、表3和表5的单管芯热阻测试数据比对可以发现，传统热阻和热阻矩阵仿真出的热阻值差距很小，能够真实发现器件的散热状态，再看表6是对三种方法测试整个器件热阻值的整理，数据上明显看出传统热阻测试结果要比热阻矩阵和仿真值大，原因就是忽略了芯片之间的热耦合作用。而热阻矩阵和仿真结果差距较小，更好的反映了整个器件的热状况。   4. 结束语
  以共阴极肖特基二极管为例，进行了单管芯热阻阻测试和整个器件的热阻测试，提出了单管芯热阻测试方法不适用于多管芯热阻测试的原因，并在此基础上引入了热阻矩阵测试方法，利用有限元仿真，验证了热阻矩阵测试的准确性，同时发现热阻矩阵不仅能测出单管芯热阻值，同时也能测出整个器件的热阻值，降低测试成本，节约测试时间，更加真实有效的反映一个器件的散热状态。



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