中國(guó)科學(xué)院：SiC MOSFET器件高溫下最大電流導(dǎo)通能力評(píng)估方法
發(fā)布人：旺材芯片
時(shí)間：2024-06-02
來(lái)源：工程師
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如圖1所示，功率芯片必須以分立器件或功率模塊的形式進(jìn)行封裝。功率封裝是半導(dǎo)體芯片和其他封裝結(jié)構(gòu)的組合，可以提供輔助電氣、熱和機(jī)械的功能[ 13– 15] 。由于功率芯片會(huì)散發(fā)大量熱量，封裝及散熱系統(tǒng)對(duì)芯片結(jié)溫的影響較大。為分析安全邊界，主需要研究三個(gè)問(wèn)題：（1） Si C MOSFET 的熱電耦合模型；（2） 封裝和散熱系統(tǒng)的熱分析； （3） 電氣和熱學(xué)參數(shù)的耦合機(jī)制。 在此前的研究中，很少有文章關(guān)注近限邊界下的電氣和散熱評(píng)估，缺乏高溫穩(wěn)定性的機(jī)理分析。文獻(xiàn)[16– 18] 對(duì)SiC MOSFET的電熱模型進(jìn)行了大量研究。但這些模型都沒(méi)有針對(duì)熱測(cè)試環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，比較復(fù)雜難以在系統(tǒng)仿真中實(shí)用。對(duì)于功率模塊，制造商通常只在數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供結(jié)殼熱阻。實(shí)際上，散熱系統(tǒng)的熱阻也很關(guān)鍵，特別是在高溫應(yīng)用中，溫度變化得非常快，一些相關(guān)的電氣參數(shù)也變得極為敏感[ 19–22] 。然而，盡管有很多關(guān)于外部散熱系統(tǒng)特性的研究[ 23-24] ，但很少有研究關(guān)注散熱系統(tǒng)與器件電熱模型的協(xié)同求解。熱學(xué)參數(shù)與電學(xué)參數(shù)的耦合機(jī)制是探尋功率模塊高溫工作能力的關(guān)鍵，電氣產(chǎn)生的損耗會(huì)影響熱分布，進(jìn)而結(jié)溫也會(huì)決定器件的電氣特性，較低結(jié)溫下這種耦合可近 似為負(fù)反饋中的小波動(dòng)，近限狀態(tài)下它向正反饋的迅速過(guò)度是引起熱失控的主要原因。 本文提出一種評(píng)估SiC功率模塊在高溫下應(yīng)用能力的方法，來(lái)探索安全應(yīng)用邊界。本文分為三個(gè)部分：第二節(jié)建立了SiC MOSFET熱電模型，第三節(jié)對(duì)功率模塊的散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱分析，第四節(jié)為高溫下模塊的穩(wěn)定性分析。 1 SiC MOSFET溫度相關(guān)的器件模型 文選擇了Wolfspeed公司第二代SiC MOSFET功率芯片CPM212000025B作為研究對(duì)象，該功率器件為垂直器件， 其晶胞單元結(jié)構(gòu)及等效電路如圖2所示。垂直器件與普通橫向器件的主要區(qū)別在于，垂直器件具有較大的N-漂移區(qū)，表現(xiàn)為電阻的特征。因此，功率器件可以被建模為普通橫向MOSFET與剩余電阻Rs。 1.1 受溫度影響較大的半導(dǎo)體材料參數(shù) 決定SiC器件溫度依賴性的關(guān)鍵參數(shù)是體電子遷移率μn,bulk，它與溫度的關(guān)系可以由等式(1)給出[ 25] 。
其中Tj是結(jié)溫。然而，由于 SiO2/SiC 界面處的界面陷阱密度大，溝道的電子效應(yīng)遷移率要比體電子遷移率小得多。因此它也依賴于Vgs的大小，同時(shí)呈現(xiàn)出正溫度系數(shù)[ 26] 。溝道電子的場(chǎng)效應(yīng)遷移率與溫度之間的近似關(guān)系為：
其中β是正值。這個(gè)方程是一個(gè)簡(jiǎn)化方程，主要說(shuō)明界面陷阱處的庫(kù)侖散射在影響溝道遷移率的因素中起主導(dǎo)作用[ 27] 。另一個(gè)受溫度影響的參數(shù)是帶隙Eg，它與溫度的關(guān)系可以用等式(3)表示[ 28]：
1.2 閾值電壓 閾值電壓是 MOSFET 器件的一個(gè)關(guān)鍵熱敏感參數(shù)。通常它可以通過(guò)方程（5）給出的線性擬合方程來(lái)建模。
其中Vth300是常溫300K時(shí)的閾值電壓，kvth是閾值電壓的溫度系數(shù)。對(duì)于所研究的芯片，實(shí)驗(yàn)提取的Vth300為2.78V， kvth為6.31mV。 1.3 導(dǎo)通電阻 功率MOSFET器件的導(dǎo)通電阻Ron是指漏源電流Ids流過(guò)的所有區(qū)域的電阻之和。Ron的大小決定了器件的通態(tài)損耗， 并可能影響MOSFET導(dǎo)通電流的能力。在圖2中，SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻由6個(gè)部分組成，RN+是源極擴(kuò)散電阻，RCH是溝道電阻，RA是累積電阻，RJ是兩個(gè)體區(qū)之間區(qū)域的JFET元件電阻，RD是漂移區(qū)域電阻，RSub為襯底電阻。高壓功率 MOSFET導(dǎo)通電阻的主要部分是溝道電阻、JFET電阻和漂移區(qū)電阻[ 25] 。在本文中，總漏源電阻由溝道電阻Rch和殘余電阻Rs表示，其中Rs主要包括漂移電阻和JFET電阻。 圖 2.5中d和s之間的部分由以下兩個(gè)方程建模：
其中Ids是流過(guò)節(jié)點(diǎn)d和s的電流，Vds是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓，Vgs是柵極偏置電壓，Vth是閾值電壓，λ是溝道長(zhǎng)度調(diào)制。此外，kmos = μnch?fe Cox W/L是與制造相關(guān)的參數(shù)，其中W為溝道寬度，L為溝道長(zhǎng)度，Cox為柵氧化層電容。k和Vth都與溫度相關(guān)。當(dāng)器件完全導(dǎo)通時(shí)，Vds非常小，因此Rch可以寫(xiě)為： 
其中krs是一個(gè)常數(shù)系數(shù)，α應(yīng)該接近公式（1）中的2.7。
1.4 實(shí)驗(yàn)與參數(shù)提取 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了研究對(duì)象在不同柵極電壓和溫度下流過(guò)SiC芯片的電流。圖3為100℃時(shí)漏源電流與電壓的 關(guān)系，其他溫度下關(guān)系趨勢(shì)與之類似。 因?yàn)榭偟膶?dǎo)通電阻Ron可以寫(xiě)為：
公式的第一部分是溝道電阻Rch，Rs為殘余電阻。當(dāng)(Vg–Vth)-1 接近0時(shí)，Ron約等于Rs，圖4為將特性曲線轉(zhuǎn)化之后的結(jié)果，其橫軸變量是(Vg–Vth)- 1 ，縱軸變量為Ron。 從總通態(tài)電阻Ron中提取Rs，Rs和Rch，它們隨溫度變化的趨勢(shì)如圖5所示。可以看出，當(dāng)溫度升高時(shí)，Rs將越來(lái)越占主導(dǎo)地位。與等式(9)預(yù)測(cè)的趨勢(shì)一致，Rs隨溫度呈指數(shù)增長(zhǎng)，提取的α為3.24，krs為15.6 mΩ。與公式(1)中的 系數(shù)值2.7略有不同，可以解釋為Rs計(jì)算誤差以及其他部分電阻如JFET電阻、襯底電阻等的影響。 
與Rs不同，溝道電阻Rch與溫度呈負(fù)相關(guān)性，提取的krch為0.281 Ω·V，β為 2.4。溝道電阻會(huì)稍微減緩功率損 耗的增加速度，但當(dāng)溫度升高時(shí)它的減緩效果降低。也就是說(shuō)，在高溫下，溫度與發(fā)熱功率的正反饋會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重， 使得芯片更容易損壞。 2 功率模塊和散熱系統(tǒng)的熱分析 功率模塊散熱主要有兩種方式：傳導(dǎo)和對(duì)流，而輻射傳熱不明顯。熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在功率模塊封裝的不同層之間。 而熱對(duì)流主要發(fā)生在液冷或風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的液固/氣固界面。一般在基于產(chǎn)品手冊(cè)的熱評(píng)估中，只使用簡(jiǎn)單的熱阻結(jié)- 殼熱阻Rth,jc或結(jié)-空氣熱阻Rth,ja，但較高溫度下的非線性因素會(huì)影響溫度分布和散熱性能，需要詳細(xì)計(jì)算。 2.1 與溫度無(wú)關(guān)的非線性參數(shù) 
非線性主要可以由三個(gè)部分引入：熱擴(kuò)散過(guò)程、熱對(duì)流過(guò)程和材料特性的溫度依賴性[29]。熱擴(kuò)散效應(yīng)的含義是 在芯片發(fā)熱功率越大時(shí)，功率芯片與冷卻液之間的溫差也越大，因此散熱面積也越大，從而使得熱對(duì)流更加有效，即 熱擴(kuò)散效應(yīng)帶來(lái)的非線性。對(duì)于熱對(duì)流過(guò)程，非線性由冷卻液流動(dòng)條件引入。但在電動(dòng)汽車等一些應(yīng)用中，依然可以 認(rèn)為是線性的，因?yàn)樗偸翘幱趯恿鳡顟B(tài)或?qū)恿骱屯牧髦g過(guò)渡的早期階段。然而，在一些功率非常大的應(yīng)用中，需要采用相變散熱等高效散熱方式，非線性會(huì)較為明顯。在這些情況下，可以使用變化的熱阻或熱網(wǎng)絡(luò)模型。 為了研究這個(gè)問(wèn)題，本文建立了如圖6所示的仿真模型，仿真在COMSOL軟件中進(jìn)行。選擇流體作為傳熱介質(zhì)以反 映熱對(duì)流過(guò)程，而通過(guò)改變熱源功率值來(lái)體現(xiàn)熱擴(kuò)散效應(yīng)。在沒(méi)有對(duì)材料施加溫度依賴性的情況下，結(jié)果如圖 7 所示。計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)結(jié)-冷卻液熱阻如表1。隨著熱功率從60 W增加到240 W，可以看出由于熱擴(kuò)散導(dǎo)致熱阻下降非常小， 可以忽略不計(jì)。因此，在不考慮溫度依賴性的情況下，可以認(rèn)為傳熱系數(shù)與發(fā)熱功率值無(wú)關(guān)。 
2.2 溫度對(duì)熱阻的影響 與上面討論的其他兩個(gè)因素相比，材料的溫度依賴性對(duì)熱阻的影響更大。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律，熱流密度q等于熱導(dǎo)率λ和負(fù)溫度梯度的乘積，即： 
其中關(guān)鍵參數(shù)是λ，它是溫度的函數(shù)，會(huì)引入非線性。模塊中常用的材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化如圖8所示[ 29–31] 。
熱對(duì)流的過(guò)程比熱傳導(dǎo)更復(fù)雜，因?yàn)樗c液體流動(dòng)密切相關(guān)。除了偏微分熱方程外，由努塞爾數(shù)描述的經(jīng)驗(yàn)公式通常被用于計(jì)算傳熱系數(shù)[ 32] 。
其中h是對(duì)流傳熱系數(shù)，λ是流體的熱導(dǎo)率，L是特征長(zhǎng)度，Nu是努塞爾數(shù)。λ、Nu 都是溫度的函數(shù)。 表2為不同液體溫度下的結(jié)-冷卻液熱阻的計(jì)算結(jié)果，圖9為仿真的溫度分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體溫度從300K 增加到375K時(shí)，結(jié)與液體之間的熱阻變化約為0.01 K/W。在1kW 的功率損耗下，結(jié)溫誤差可以估計(jì)為10K。當(dāng) 液體溫度變化很大時(shí)，溫度依賴性不能忽略，例如電動(dòng)汽車?yán)鋮s液。 
2.3 溫度相關(guān)的熱阻模型 如上所述，熱阻幾乎與功率損耗無(wú)關(guān)，但對(duì)溫度比較敏感。雖然散熱功率的大小不會(huì)明顯改變熱阻，但它會(huì)影響 功率模塊和散熱系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布，然后使總熱阻發(fā)生變化。由于溫度分布計(jì)算需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而模塊中間層的 溫度并不需要特別關(guān)注，因此可以將結(jié)到參考點(diǎn)的熱阻Rth,jr用二次函數(shù)擬合。 
其中P是從器件的發(fā)熱功率，Tr是參考點(diǎn)的溫度，P和Tr可以被認(rèn)為是相互獨(dú)立的。 3 穩(wěn)態(tài)溫度穩(wěn)定性評(píng)估 在常溫或高溫條件下的應(yīng)用中，器件的功率損耗與結(jié)溫之間始終存在正反饋。溫度升高，功率損耗就會(huì)增加，而增加的功率損耗又會(huì)反過(guò)來(lái)是結(jié)溫升高。很明顯，當(dāng)導(dǎo)通電流或結(jié)溫升高到一定程度時(shí)，結(jié)溫將對(duì)導(dǎo)通電流或功率損耗的增加極為敏感。如果溫度或電流繼續(xù)增加，就會(huì)發(fā)生熱失控。 3.1 熱失控機(jī)理 SiC MOSFET自發(fā)熱產(chǎn)生的熱量可以用等式(14)表示：
另外，熱阻也可以簡(jiǎn)單地表示為散熱功率與溫度差的關(guān)系，即 
其中Pdiss是發(fā)熱功率，Ta是環(huán)境溫度，Rthja是結(jié)和環(huán)境之間的熱阻。在這種情況下，Rthja是一個(gè)獨(dú)立于Tj 和Id的常數(shù)值。
圖10為熱失控的原理。當(dāng)Pcond > Pdiss時(shí)，發(fā)熱功率大于散熱功率，結(jié)溫將升高到新的平衡點(diǎn)或發(fā)生熱失控。當(dāng)Pcond < Pdiss 時(shí)，散熱功率大于發(fā)熱功率，結(jié)溫將降到較低的熱平衡點(diǎn)。當(dāng)處于穩(wěn)定點(diǎn)時(shí), Pcond = Pdiss, 系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，負(fù)反饋可以拉回 小的偏移量。但是如果在不穩(wěn)定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)熱平衡，一個(gè)小的擾動(dòng)就可以使系統(tǒng)很快達(dá)到熱失控。 圖11為不同工作電流下的導(dǎo)通損耗功率和散熱功率的仿真結(jié)果。在該仿真中，溫度為300 K時(shí)的導(dǎo)通電阻被設(shè)置為25 m?， 等式 (16) 中的系數(shù)為 2.4，結(jié)與環(huán)境之間的熱阻為1 K/W。虛線為在不同導(dǎo)通電流下功率器件的發(fā)熱功率與結(jié)溫的關(guān)系， 實(shí)線為散熱系統(tǒng)的散熱功率與結(jié)溫的關(guān)系。 很明顯，實(shí)線（散熱功率）和虛線（發(fā)熱功率）之間會(huì)有兩個(gè)交點(diǎn)，只有在第一個(gè)交叉點(diǎn)處才能達(dá)到熱平衡。通過(guò)標(biāo)記所 有第一個(gè)交點(diǎn)，可以獲得在不同導(dǎo)通電流下的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。同時(shí)當(dāng)線性散熱功率曲線與指數(shù)發(fā)熱功率線相切時(shí)，可以算出最大工作條件為導(dǎo)通電流為48.5A，結(jié)溫為514K（241 ℃）。
用以下兩個(gè)方程可以解析地求出模塊地最大工作點(diǎn)：
其中第一個(gè)方程表示熱平衡，第二個(gè)方程表示最大工作點(diǎn)。將式（14）和（17）代入式（18），可以推導(dǎo)出該仿真情況下的 熱失控條件。
圖12描繪了不同環(huán)境溫度和熱阻下的熱失控過(guò)程。隨著電流的增加，結(jié)溫以加速的方式增加?？梢园l(fā)現(xiàn)，接近最大值的工作點(diǎn)是極其“不穩(wěn)定”的，此時(shí)0.5 A的電流差可以在300 K的環(huán)境溫度和1K/W的熱阻下引起50°C的結(jié) 溫差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須留下較大的安全裕度。熱阻和環(huán)境溫度對(duì)模塊能導(dǎo)通的最大電流影響較大，為了充分利用SiC器件的優(yōu)秀性能，應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)以避免熱失控。 3.2 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 本文搭建了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證所提出的模型并評(píng)估高溫穩(wěn)定性。如圖 13 所示，功率模塊封裝被打開(kāi)，SiC裸片表面經(jīng)過(guò)噴漆處理，可通過(guò)紅外熱成像儀獲取準(zhǔn)確溫度。測(cè)試裝置的參數(shù)列于表3，其中直流電流源用于加熱功率模塊，紅外熱像儀測(cè)量穩(wěn)態(tài)結(jié)溫，恒溫冷卻循環(huán)器用于散熱。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：1）施加恒定電流對(duì)Si C器件進(jìn)行加熱，2）等待達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，用紅外熱像儀測(cè)量結(jié)溫，3）記錄 漏源電壓和電流用于熱阻計(jì)算。 3.3 結(jié)果和討論 應(yīng)用前兩節(jié)的模型，進(jìn)行電熱聯(lián)合仿真，圖14為仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。功率模塊實(shí)測(cè)最大導(dǎo)通電流能力為 180A，仿真結(jié)果為188 A，結(jié)果吻合得比較好，誤差約4%。但是，在接近極限運(yùn)行條件時(shí)，在相對(duì)較高的電流和溫度 下，實(shí)測(cè)的溫度比仿真結(jié)果的上升速度要快得多。這是一個(gè)突出的現(xiàn)象，它意味著更多的因素可能會(huì)影響功率模塊在 高溫下的熱穩(wěn)定性。本小節(jié)將討論在仿真中沒(méi)有考慮到的一些因素。 
3.3. 1Vth 漂移 閾值電壓穩(wěn)定性主要受絕緣柵氧層近界面區(qū)域中的有源電荷陷阱的影響。目前為止，SiC功率MOSFET的SiC/SiO2 界面質(zhì)量相對(duì)較差，其可靠性一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，而它的主要問(wèn)題是閾值電壓的漂移。通常在高溫下，閾值電壓在正柵極偏壓下會(huì)有正漂移，在負(fù)柵極偏壓下會(huì)有負(fù)漂移；并且柵極偏置時(shí)間越長(zhǎng)，閾值電壓漂移越大，如圖 15 所 示。 在本文中，如果在400K時(shí)閾值電壓增加1V，則通態(tài)電阻將增加1m?。如果施加160A電流和0.25 K/W熱阻， 將發(fā)生6.4 K溫度升高。 3.3.2 多芯片并聯(lián)的溫度分布 由于并聯(lián)芯片的個(gè)體差異，不同的芯片導(dǎo)通電阻不同，將會(huì)導(dǎo)致溫度不相等。通常情況下，導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)為正，當(dāng)器件溫度升高時(shí)，其電阻也會(huì)增加，這時(shí)，通過(guò)它的電流減小，溫度下降。這種負(fù)反饋機(jī)制會(huì)降低不同的芯片之間溫度的不平衡性。但是，在高溫下，通態(tài)電阻隨著溫度越來(lái)越快地增加，當(dāng)反饋的速度不能及時(shí)緩解溫度不平衡時(shí)，熱失控就會(huì)發(fā)生。 下面通過(guò)仿真來(lái)解釋這種現(xiàn)象，仍然以本文研究的芯片為例。四個(gè)并聯(lián)的芯片被分為兩組，冷卻條件相同。第1 組電阻保持原值，第2組增加10%。仿真結(jié)果如圖16所示，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)離熱失控狀態(tài)很遠(yuǎn)時(shí)，電阻較大的那一組溫度稍高，但兩組幾乎保持相同的溫度；但是接近熱失控狀態(tài)時(shí)，電阻較小的組反而具有更高的溫度。作為對(duì)比，黑色實(shí)線使用了圖14中的仿真結(jié)果，即所有芯片阻值都相同的情況，黃色虛線為所有芯片都相同但是其總阻值與第2組相同時(shí)的情況。無(wú)論與哪種情況對(duì)比，特性不平衡的芯片都會(huì)帶來(lái)更不穩(wěn)定的高溫特性，從而減小模塊導(dǎo)通電流的最大導(dǎo)通能力。在本仿真中，不平衡情況下的極限工作電流只有182A。 在未來(lái)的分析中考慮這兩個(gè)非理想因素，所預(yù)測(cè)出的功率模塊的極限電流導(dǎo)通能力將更接近實(shí)際值。 4 結(jié)論 本文介紹了一種評(píng)估功率模塊高溫下最大電流導(dǎo)通能力的方法。建立了溫度相關(guān)的SiC MOSFET電氣模型和功率模塊與散熱系統(tǒng)的熱模型。對(duì)于SiC MOSFET模型，首先研究了與溫度相關(guān)的物理參數(shù)。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)提取不同溫度下的通態(tài)電阻。通態(tài)電阻分為兩部分，Rch和Rs。本文分別對(duì)它們兩者的溫度相關(guān)性進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)Rs隨溫度呈指數(shù)增長(zhǎng)， 而Rch隨溫度有所下降。對(duì)于熱模型，不是簡(jiǎn)單地應(yīng)用恒定熱阻，本文通過(guò)有限元仿真對(duì)熱模型的非線性進(jìn)行了分析。在本文中，熱阻被認(rèn)為幾乎與發(fā)熱功率無(wú)關(guān)，但對(duì)溫度較為敏感。 接下來(lái)本文闡述了熱失控過(guò)程的機(jī)理，分別討論了保持熱穩(wěn)定狀態(tài)和達(dá)到熱失控狀態(tài)的條件。最后，結(jié)合SiC熱電耦合模型和外部散熱系統(tǒng)的熱模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，獲取了功率模塊的最大導(dǎo)通電流的能力。同時(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證所提出的模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真估計(jì)誤差在4%左右。最后討論了Vth漂移和多芯片電阻和溫度分布不平衡兩個(gè)非理想因素的影響，估計(jì)誤差可以進(jìn)一步降低。 
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