本發(fā)明涉及功率器件熱阻檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種氮化鎵功率器件管殼接觸熱阻測量方法。

背景技術(shù)：

熱阻對GaN功率器件是一個非常重要的參數(shù)，此類器件由多層材料構(gòu)成，如圖10所示。各層材料都對應(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，如圖11所示。

常規(guī)的熱阻測試標(biāo)準(zhǔn)或方法（如Mil std 833、JESD51及GJB548等）多關(guān)注與測量結(jié)到殼的熱阻。但是，對于真實的器件而言，結(jié)殼熱阻只是總體熱阻的一部分，由于殼與恒溫平臺或熱沉之間的接觸條件不同，其接觸熱阻會有明顯的差異，直接影響使用條件下的結(jié)溫及器件的可靠性。所以，測量管殼與熱沉的接觸熱阻對GaN功率的設(shè)計和可靠性研究也是非常必要的。

目前，用于熱阻測量的技術(shù)有電學(xué)原理的熱阻測試方法和光學(xué)原理的熱阻測試方法。圖12是粘接層良好的器件各層結(jié)構(gòu)圖，基于結(jié)構(gòu)函數(shù)法的電學(xué)熱阻測量技術(shù)理論上能夠測量包括接觸熱阻在內(nèi)的各層材料的熱阻。其基本原理是，不同層材料的熱阻熱容特性不同，圖13所示的曲線的斜率也會不同，因此可以通過曲線斜率的層級對應(yīng)器件的層級得到接觸熱阻（圖13中為粘結(jié)層良好的被測器件且接觸熱阻為導(dǎo)熱硅脂的熱阻曲線圖）；圖14為粘接層缺陷與粘接層良好時的理想熱阻對比曲線，圖14中虛線為粘接層缺陷的熱阻，實線為粘接層良好的熱阻。但是，上述方法的一個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，但是，實際的器件的熱傳導(dǎo)都是三維的，導(dǎo)致各層的曲線斜率變化不會像圖13中那樣明確，一般都是如圖15所示，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線不同斜率都是連續(xù)過度的很難明確分辨各層材料熱阻的分界點，正是上述原因?qū)е拢苯硬捎媒Y(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的方法不僅無法準(zhǔn)確測量接觸熱阻，也無法準(zhǔn)確測量結(jié)殼熱阻。

正是出于上述考慮，國際標(biāo)準(zhǔn)組織——國際固態(tài)電子器件委員會在2010年公布了最新的結(jié)殼熱阻測量標(biāo)準(zhǔn)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》，該標(biāo)注規(guī)定，為了準(zhǔn)確測量結(jié)殼熱阻，需要在不同的接觸熱阻條件下測量兩次結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，通過曲線的分離點確定準(zhǔn)確的結(jié)殼熱阻的值，如圖16所示。

上述方法有效的解決了直接采用結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線測量結(jié)殼熱阻不準(zhǔn)確的問題，但是，并沒有規(guī)定測量管殼與載體之間接觸熱阻的方法。此外，上述標(biāo)注基于電學(xué)法測溫，電學(xué)法熱阻測試技術(shù)雖然應(yīng)用較為普遍，但是，它在GaN等新材料器件的熱阻測試上還不是特別成熟，這些器件強烈的自激效應(yīng)往往導(dǎo)致無法進(jìn)行有效的測量。

紅外測溫裝置適用于任何種類的微波功率器件。對于微波功率器件而言，不同條件下的溫度或其變化可以反映器件的不同特性，如：顯微紅外熱成像裝置可以獲取器件不同部位溫度的分布，這為器件的熱設(shè)計和失效分析提供了有力的支持；瞬態(tài)紅外設(shè)備能夠測量器件某一部位溫度隨時間周期性變化的情況，這有效的支撐了對脈沖大功率器件的熱特性研究工作。

但是，傳統(tǒng)的紅外測溫技術(shù)只能測量器件的結(jié)溫，要用熱電偶監(jiān)測殼溫、或熱沉溫度才能測量器件的結(jié)殼熱阻或結(jié)到環(huán)境的熱阻，不能測量降溫曲線，不能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)函數(shù)特性的分析，其不具備測量接觸熱阻的能力。

現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)、缺點情況介紹如下：

現(xiàn)有微電子器件熱阻測量方法的優(yōu)點有：

1）電學(xué)法應(yīng)用普遍，成熟度高，且制定了一系列國際標(biāo)準(zhǔn)，在傳統(tǒng)的硅、砷化鎵器件的熱阻測量領(lǐng)域占主導(dǎo)地位；

2）顯微紅外法可以實現(xiàn)成像式檢測，得到不同部位的溫度分布情況，能夠分辨微小結(jié)構(gòu)的溫度分布，具備較高的空間分辨力，熱阻測量準(zhǔn)確度較高；

3）瞬態(tài)紅外法可以檢測周期性高速變化的溫度信號，有效滿足對于脈沖工作條件下大功率器件的熱阻測量需求；

現(xiàn)有方法的缺點如下：

1）電學(xué)法會影響器件的工作狀態(tài)，且無法測量GaN 、HEMT等新興大功率器件；

2）現(xiàn)有國際標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出準(zhǔn)確測量接觸熱阻的方法；

3）顯微紅外法測量速度較慢，只能測量結(jié)殼熱阻或者結(jié)到載體的總體熱阻，不具備某一層結(jié)構(gòu)熱阻測量的功能，無法測量管殼與載體的接觸熱阻；

4）瞬態(tài)紅外法只是針對周期性溫度信號進(jìn)行測量的，無法實現(xiàn)對器件各層熱阻的測量，也就無法測量接觸熱阻。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種氮化鎵功率器件管殼接觸熱阻測量方法，利用瞬態(tài)紅外測溫設(shè)備測量器件在兩種不同熱阻抗條件下的降溫曲線，用結(jié)構(gòu)函數(shù)法分析兩條降溫曲線，得到積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，經(jīng)過兩次曲線對比確定接觸熱阻，實現(xiàn)對氮化鎵功率器件管殼與載體接觸熱阻的測量，準(zhǔn)確性高。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種氮化鎵功率器件管殼接觸熱阻測量方法，包括以下步驟：

1）用瞬態(tài)紅外測溫設(shè)備測量器件兩種接觸熱阻條件即高熱阻條件和低熱阻條件下的兩條降溫曲線；

2）用結(jié)構(gòu)函數(shù)法得到兩條降溫曲線的兩條積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

3)利用積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線得到結(jié)殼熱阻的值：根據(jù)瞬態(tài)雙界面結(jié)殼熱阻測量方法，兩條積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的分離點的橫坐標(biāo)對應(yīng)的就是結(jié)殼熱阻，所以通過觀察兩條曲線的分離點可以確定結(jié)殼熱阻，此點是接觸熱阻的起點；

4)平移低熱阻曲線得到高熱阻條件下的接觸熱阻：橫向平移低熱阻曲線，使其右端與高熱阻曲線重合，重合的部分代表載體熱阻、載體與控溫平臺的接觸熱阻，兩條曲線的分離點就是高熱阻條件下接觸熱阻的終點；

平移高熱阻曲線得到低熱阻條件下的接觸熱阻：橫向平移高熱阻曲線，使其右端與低熱阻曲線重合，重合的部分代表載體熱阻、載體與控溫平臺的接觸熱阻，兩條曲線的分離點就是低熱阻條件下接觸熱阻的終點；

5）高熱阻條件下接觸熱阻的終點與接觸熱阻的起點之差即為高熱阻條件下的接觸熱阻；

低熱阻條件下接觸熱阻的終點與接觸熱阻的起點之差即為低熱阻條件下的接觸熱阻。

其中，兩種接觸熱阻條件中，選用的高熱阻條件下的接觸材料為空氣，低熱阻條件下的接觸材料為導(dǎo)熱硅脂或銦片。

其中，兩種接觸熱阻條件中，選用的高熱阻條件下的接觸材料為導(dǎo)熱硅脂，低熱阻條件下的接觸材料為銦片。

其中，所述瞬態(tài)紅外測溫設(shè)備為瞬態(tài)紅外溫度測量系統(tǒng)，瞬態(tài)紅外溫度測量系統(tǒng)包括紅外輻射探測器、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡及工控機，紅外輻射探測器與放大電路的信號輸入端連接，用于采集被測器件發(fā)出的紅外輻射信號；放大電路與數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端連接，用于將采集的紅外輻射信號進(jìn)行放大處理；數(shù)據(jù)采集卡與工控機進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，用于根據(jù)工控機的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，工控機用于處理數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，并將采集卡采集的電信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并顯示；其中，工控機內(nèi)設(shè)有控制軟件模塊和數(shù)據(jù)處理及顯示軟件模塊，測量系統(tǒng)工作時，通過控制軟件模塊選擇數(shù)據(jù)采集卡的工作模式，數(shù)據(jù)處理及顯示軟件模塊用于處理并顯示采集的數(shù)據(jù)。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

本發(fā)明利用瞬態(tài)紅外測溫設(shè)備測量器件在兩種不同接觸熱阻的條件下的降溫曲線，利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法確定殼與接觸材料的熱阻分離點、接觸材料與熱沉的熱阻分離點，兩個分離點之間的熱阻即為接觸熱阻。

本發(fā)明以國際通用結(jié)殼熱阻測量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，可以有效的檢測GaN功率器件管殼與載體之間的接觸熱阻。利用該發(fā)明可以有效對包括GaN功率器件在內(nèi)的各種微波功率器件進(jìn)行設(shè)計和對其它熱阻特性進(jìn)行研究。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是本發(fā)明采用空氣作為接觸材料時被測器件各層結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明采用導(dǎo)熱硅脂作為接觸材料時被測器件各層結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明兩種不同接觸熱阻條件下的降溫曲線；

圖5是本發(fā)明兩種不同接觸熱阻的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

圖6是器件的結(jié)殼熱阻；

圖7是器件高熱阻條件下的接觸熱阻；

圖8是器件低熱阻條件下的接觸熱阻；

圖9是本發(fā)明中瞬態(tài)紅外溫度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖10是現(xiàn)有技術(shù)中器件各層結(jié)構(gòu)圖；

圖11是圖10的熱阻結(jié)構(gòu)圖；

圖12是粘接層良好的被測器件結(jié)構(gòu)圖；

圖13是粘接層良好的被測器件積分結(jié)構(gòu)函數(shù)與熱阻的關(guān)系圖；

圖14是粘接層良好的被測器件積分結(jié)構(gòu)函數(shù)與粘接層缺陷的被測器件熱阻的關(guān)系圖；

圖15是實際情況下被測器件積分結(jié)構(gòu)函數(shù)與熱阻之間的關(guān)系圖；

圖16是雙界面法結(jié)殼熱阻測量結(jié)果圖；

圖中：1、被測器件；2、空氣；3、熱沉；4、導(dǎo)熱硅脂；5、管殼；6、粘結(jié)層；7、芯片；8、熱阻；9、熱容；10、冷板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明屬于功率器件熱阻檢測領(lǐng)域，研究一種利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法測量GaN功率器件管殼與載體（熱沉、測試夾具或散熱平臺）之間接觸熱阻的方法。該方法用瞬態(tài)紅外測溫設(shè)備測量器件在兩種不同接觸熱阻下的降溫曲線，采用結(jié)構(gòu)函數(shù)分析方法獲取其積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)JESD51-14的基本原理，利用兩條積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線確定接觸熱阻的大小。

本發(fā)明的測量步驟，如圖1所示：

1、在不同的接觸條件下測量降溫曲線

用瞬態(tài)紅外溫度測量系統(tǒng)（如圖9所示）對每一只被測器件1，需要測量兩種接觸條件下的兩條降溫曲線。首先，如圖2所示，在器件管殼與夾具接觸面之間無導(dǎo)熱硅脂（即接觸熱阻為空氣）時測量一次降溫曲線；第二步，如圖3所示，在器件管殼與夾具接觸面之間涂抹導(dǎo)熱硅脂（即接觸熱阻為導(dǎo)熱硅脂）時測量一次降溫曲線，得到如圖4所示的兩條降溫曲線。

其中，瞬態(tài)紅外溫度測量系統(tǒng)包括紅外輻射探測器、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡及工控機，紅外輻射探測器與放大電路的信號輸入端連接，用于采集被測器件發(fā)出的紅外輻射信號；放大電路與數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端連接，用于將采集的紅外輻射信號進(jìn)行放大處理；數(shù)據(jù)采集卡與工控機進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，用于根據(jù)工控機的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，工控機用于處理數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，并將采集卡采集的電信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并顯示；其中，工控機內(nèi)設(shè)有控制軟件模塊和數(shù)據(jù)處理及顯示軟件模塊，測量系統(tǒng)工作時，通過控制軟件模塊選擇數(shù)據(jù)采集卡的工作模式，數(shù)據(jù)處理及顯示軟件模塊用于處理并顯示采集的數(shù)據(jù)。

2、用結(jié)構(gòu)函數(shù)法分析兩條降溫曲線

將測得的如圖4所示的兩條降溫曲線，（橫軸為時間，縱軸為溫度）輸入到結(jié)構(gòu)函數(shù)分析軟件中進(jìn)行分析，可以得到積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，如圖5所示（橫軸為熱阻，縱軸為熱容）。

3、由積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線確定接觸熱阻

3.1由兩條積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線得到結(jié)殼熱阻

根據(jù)瞬態(tài)雙界面結(jié)殼熱阻測量方法，兩條積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的分離點的橫坐標(biāo)對應(yīng)的就是結(jié)殼熱阻，所以通過觀察兩條曲線的分離點可以確定結(jié)殼熱阻，如圖6所示，結(jié)殼熱阻為1.078K/W。此點是接觸熱阻的起點。

3.2平移兩條積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線得到高熱阻條件下接觸熱阻

橫向平移低熱阻曲線，使其右端與高熱阻曲線重合，如圖7，重合的部分代表載體熱阻、載體與控溫平臺的接觸熱阻，兩條曲線的分離點就是高熱阻條件下接觸熱阻的終點?？梢?，高熱阻條件下接觸熱阻為1.105K/W。

3.3平移兩條積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線得到低熱阻條件下接觸熱阻

橫向平移高熱阻曲線，使其右端與低熱阻曲線重合，如圖8，重合的部分代表載體熱阻、載體與控溫平臺的接觸熱阻，兩條曲線的分離點就是低熱阻條件下接觸熱阻的終點。可見，低熱阻條件下接觸熱阻為0.6567K/W。

其中，高熱阻條件下接觸熱阻的終點與接觸熱阻的起點之差即為高熱阻條件下的接觸熱阻；低熱阻條件下接觸熱阻的終點與接觸熱阻的起點之差即為低熱阻條件下的接觸熱阻。

其中，選用的兩種接觸材料的熱阻應(yīng)不同，一般選用空氣、導(dǎo)熱硅脂也即圖中標(biāo)注的導(dǎo)熱脂、銦片中的任一兩種。

根據(jù)瞬態(tài)雙界面法原理，兩種接觸條件下總熱阻的差是由接觸熱阻不同引起的，也就是說高熱阻條件下接觸熱阻的終點與低熱阻條件下接觸熱阻的終點之差應(yīng)該等于總熱阻之差，由本發(fā)明得到的結(jié)果可知，高熱阻條件下接觸熱阻1.105K/W與低熱阻條件下接觸熱阻0.6567K/W之差為0.4483K/W，而兩條曲線總熱阻之差為0.448K/W，二者一致，證明了本發(fā)明方法的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明以國際通用結(jié)殼熱阻測量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，可以有效的檢測GaN功率器件管殼與載體之間的接觸熱阻。利用該發(fā)明可以有效對包括GaN功率器件在內(nèi)的各種微波功率器件接觸熱阻及其它熱阻特性進(jìn)行研究。