CN115236478A - 一种提取氮化镓器件热阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提取氮化镓器件热阻的方法，属于半导体应用的技术领域，针对现有技术中无法获取较为精确的热阻而提出本方案。通过依次进行氮化镓器件热阻计算公式推导，选取待测试的氮化镓器件裸芯片封装后进行电学测试与热分布测试，建立氮化镓器件测试板三维模型并进行热仿真，仿真结果与热分布测试结果拟合后获取温度值进行热阻数值计算得到测试氮化镓器件热阻。优点在于，通过与测试结果进行对比拟合能够验证仿真模型的正确性，利用仿真结果获取的温度值代入分区域的热阻公式中使得热阻的计算更加准确，计算结果有助提高器件热模型精度，可用于器件的热分析。

Description

一种提取氮化镓器件热阻的方法

技术领域

本发明涉及半导体应用的技术领域，更具体地说，尤其涉及一种提取氮化镓器件热阻的方法。

背景技术

第三代半导体氮化镓近年来越来越收关注，因其具有宽禁带的特点，制作成的氮化镓器件能够工作在高频高功率的条件下，具有广泛的应用前景。氮化镓器件的工作原理是器件中氮化镓铝层与氮化镓层之间因应力作用感应出的二维电子气层，形成了可以通过栅极电压来控制的电子沟道。

目前氮化镓器件主要应用于功率放大器、电力电子等领域中。近两年有很多手机厂商推出了快充功能，为了进一步提高快充适配器的功率，部分厂家采用了氮化镓器件来设计内部的电源转换电路，氮化镓的使用也能大大减小同等功率条件下电源适配器的大小，更加便携，因此受到了消费者的亲睐。氮化镓器件制作的射频功率放大器也被广泛地应用在微基站等通信应用中，具有很好的市场前景。

但是使用过程中会发现氮化镓器件工作时会发热，主要是由于其自热效应引起的。且氮化镓大多是大功率应用，能量转换效率实际上无法达到100％，剩余的能量会以热量的形式产生，故越大的功率条件下工作会产生更多的热量。因此在器件设计、电路设计及封装的时候就需要考虑散热的问题，或者使用散热片辅助散热。

为了了解器件发热的情况，让电路设计者更好地进行电路设计，器件热阻的提取具有重要的作用。但多数氮化镓芯片都是封装好的，无法知道其内部的发热情况，因此使用裸片来研究其发热情况更为合适。裸片通常用探针台进行上电测试，但这种方法不便于测温。故将芯片封装在印刷电路板上进行测试会更为方便。这种方式测出来的芯片温度除了器件本身的因素外，还会受印刷电路板及金属焊盘等影响，因此在建模的时候，需要把印刷电路板也一起考虑进去。传统通过测试的方式求得的热阻准确性会受红外热像仪的空间分辨率限制，公式求解也会因热导率随温度变化而受影响，因此亟待发明一种能够通过结合测试与建模的优点，更准确地进行热阻求解的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提取氮化镓器件热阻的方法，利用该方法能够更准确的提取出氮化镓器件真实工作时热阻。

本发明的技术方案如下：

一种提取氮化镓器件热阻的方法，包括如下步骤：

S1进行氮化镓器件热阻计算公式推导；

S2选取待测试的氮化镓器件裸芯片封装后进行电学测试与热分布测试；

S3建立氮化镓器件测试板三维模型并进行热仿真；

S4仿真结果与热分布测试结果拟合后获取温度值进行热阻数值计算得到测试氮化镓器件热阻。

进一步的，所述步骤S1，具体包括如下步骤：

S1.1获取氮化镓器件模型并对其进行简化处理后得单栅氮化镓器件模型；

S1.2根据单栅氮化镓器件模型推导单栅氮化镓器件模型热阻R_th·s；

S1.3计算多栅氮化镓器件热阻R_th·m。

进一步的，在所述步骤S1.1中，所述的单栅氮化镓器件模型包括金属电极、氮化镓层和衬底层，所述的衬底层是碳化硅、硅的材料层。

进一步的，在所述步骤S1.2中，推导单栅氮化镓器件模型热阻R_th·s的过程为：获取单栅氮化镓器件模型切面，沿切面从氮化镓层向衬底层方向分为形状为近似圆柱体的单栅氮化镓器件模型第一区域、形状为长椭球体的单栅氮化镓器件模型第二区域和形状为椭圆柱体的单栅氮化镓器件模型第三区域，计算出单栅氮化镓器件模型热阻R_th·s，单栅氮化镓器件模型热阻R_th·s的计算公式为：

其中，R_th·1为单栅氮化镓器件模型第一区域的热阻，R_th·2为单栅氮化镓器件模型第二区域热阻，R_th·3为单栅氮化镓器件模型第三区域热阻，r_1A和r_1B分别为单栅氮化镓器件模型第二区域共焦长椭球体状热分布的小半径范围，r_2A和r_2B分别为单栅氮化镓器件模型第二区域共焦长椭球体状热分布的大半径范围，r_3A和r_3B分别为单栅氮化镓器件模型第三区域的两个半平面共焦椭圆柱状热分布的小半径范围，r_4A和r_4B为单栅氮化镓器件模型第三区域的半平面共焦椭圆柱状热分布的大半径范围，L为单栅氮化镓器件模型第三区域的圆柱长度；L_g为氮化镓器件模型的栅极长度，W_g为氮化镓器件模型的栅极宽度，t₁为氮化镓器件模型的氮化镓层厚度，t₂为氮化镓器件模型的衬底层厚度，λ₁为氮化镓器件的氮化镓热导率，λ₂为氮化镓器件的衬底层衬底材料的热导率。

进一步的，在所述步骤S1.3中，在所述步骤S1.3中，获取多栅氮化镓器件模型切面，沿切面从氮化镓层向衬底层方向分为多栅氮化镓器件模型第一区域、多栅氮化镓器件模型第二区域和多栅氮化镓器件模型第三区域，计算出单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·m)，多栅氮化镓器件热阻(R_th·m)的计算公式为：

其中，

R_th·1′为多栅氮化镓器件模型第一区域的热阻，R_th·2′为多栅氮化镓器件模型第二区域的热阻，R_th·3′为多栅氮化镓器件模型第三区域的热阻，N为栅极数量，s为栅极间距。

进一步的，所述步骤S2中，具体包括如下步骤：

S2.1选取待测试的氮化镓器件裸芯片，获取氮化镓器件裸芯片的结构参数，所述的结构参数包括：氮化镓器件裸芯片的尺寸、栅极长度L_g、栅极宽度W_g、氮化镓层厚度t₁、衬底层厚度t₂、栅极数量N、栅极间距s、氮化镓热导率λ₁、衬底材料的热导率λ₂的参数值；

S2.2将选好的氮化镓器件裸芯片封装在印刷电路板上获得测试板，将测试板进行电学测试与热分布测试，进行电学测试时选取静态工作点记录栅极电压V_g0、漏极电压V_d0、漏极电流I_d0，并利用红外热像仪获取该测试板在此条件下工作时的热分布图，记录每个分辨率点的温度数据。

进一步的，所述步骤S3中，具体包括如下步骤：

S3.1根据步骤S2.1中所获得待测试的氮化镓器件裸芯片的结构参数及印刷电路板的结构参数构建氮化镓器件测试板三维模型，所述的氮化镓器件测试板三维模型中包括氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型；

S3.2根据步骤S2.2获得的静态工作点的漏极电压V_d0和漏极电流I_d0计算出此条件时的功耗，并对氮化镓器件测试板三维模型进行固体传热仿真，获得氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图。

进一步的，所述步骤S4中，具体包括如下步骤：

S4.1将步骤S2.2所得的测试板在静态工作点时的热分布图与步骤S3.2获得的氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图作比较，修改氮化镓器件测试板三维模型中的部分结构参数、导热系数，使步骤S3.2获得的氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图与骤S2.2所得的测试板在静态工作点时的热分布图贴合，得拟合三维模型热分布图；

S4.2从拟合三维模型热分布图中获得测试板的多栅氮化镓器件模型第一区域的中心平均温度(Ta)、多栅氮化镓器件模型第二区域的中心平均温度(Tb)和多栅氮化镓器件模型第三区域的中心平均温度(Tc)，分别计算多栅氮化镓器件模型各区域的热导率后代入步骤1.3中的多栅器件热阻计算公式得测试氮化镓器件热阻，材料的热导率计算公式为：

其中，a为材料的系数，T为多栅氮化镓器件模型各区域的中心平均温度，λ(T)为材料在T温度下的热导率，λ(@300K)为材料在300K温度下的热导率。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明的一种提取氮化镓器件热阻的方法，通过进行氮化镓器件热阻计算公式推导；选取待测试的氮化镓器件裸芯片封装后进行电学测试与热分布测试；建立氮化镓器件测试板三维模型并进行热仿真；仿真结果与热分布测试结果拟合后获取温度值进行热阻数值计算得到测试氮化镓器件热阻。这样，能够更准确地计算提取测试的氮化镓器件工作时的热阻，有助提高该器件热阻计算的准确性，用于氮化镓器件在电路上的热分析。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的提取氮化镓器件热阻的步骤示意图；

图2是本发明的单栅氮化镓器件模型切面的区域分布结构示意图；

图3是本发明的多栅氮化镓器件模型切面的区域分布结构示意图；

图4是本发明的步骤S2中测试板的结构示意图；

图5是本发明的步骤S2中氮化镓器件裸芯片模型的结构示意图；

图6是本发明的步骤S3中氮化镓器件测试板三维模型的结构示意图；

图7是实施例中仿真得到的氮化镓芯片及测试板温度分布图；

图8是实施例中仿真得到的氮化镓芯片及测试板温度分布图纵切面。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

本发明的一种提取氮化镓器件热阻的方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1进行氮化镓器件热阻计算公式推导。

S2选取待测试的氮化镓器件裸芯片封装后进行电学测试与热分布测试。

S3建立氮化镓器件测试板三维模型并进行热仿真。

S4仿真结果与热分布测试结果拟合后获取温度值进行热阻数值计算得到测试氮化镓器件热阻。

其中，所述步骤S1，具体包括如下步骤：

S1.1获取氮化镓器件模型并对其进行简化处理后得单栅氮化镓器件模型。

其中，所述的单栅氮化镓器件模型包括金属电极、氮化镓层和衬底层，所述的衬底层是碳化硅、硅的材料层。进行栅氮化镓器件模型简化时，只考虑对热传导影响大的部分，暂时不考虑对热传导影响较小的AlGaN层、AlN层等。

设置单栅氮化镓器件模型的结构参数及相应部分材料的热导率，依此为：器件栅极长度L_g、栅极宽度W_g、氮化镓层厚度t₁、衬底层厚度t₂、氮化镓热导率λ₁、衬底层材料及其热导率λ₂。

S1.2根据单栅氮化镓器件模型推导单栅氮化镓器件模型热阻R_th·s。

推导单栅氮化镓器件模型热阻R_th·s的过程为：获取单栅氮化镓器件模型切面，沿切面从氮化镓层向衬底层方向分为形状为近似圆柱体的单栅氮化镓器件模型第一区域、形状为长椭球体的单栅氮化镓器件模型第二区域和形状为椭圆柱体的单栅氮化镓器件模型第三区域，单栅氮化镓器件模型切面的三个区域分布结构如图2所示。计算出单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·s)，单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·s)的计算公式为：

其中，R_th·1为单栅氮化镓器件模型第一区域的热阻，R_th·2为单栅氮化镓器件模型第二区域热阻，R_th·3为单栅氮化镓器件模型第三区域热阻，r_1A和r_1B分别为单栅氮化镓器件模型第二区域共焦长椭球体状热分布的小半径范围，r_2A和r_2B分别为单栅氮化镓器件模型第二区域共焦长椭球体状热分布的大半径范围，r_3A和r_3B分别为单栅氮化镓器件模型第三区域的两个半平面共焦椭圆柱状热分布的小半径范围，r_4A和r_4B为单栅氮化镓器件模型第三区域的半平面共焦椭圆柱状热分布的大半径范围，L为单栅氮化镓器件模型第三区域的圆柱长度；L_g为氮化镓器件模型的栅极长度，W_g为氮化镓器件模型的栅极宽度，t₁为氮化镓器件模型的氮化镓层厚度，t₂为氮化镓器件模型的衬底层厚度，λ₁为氮化镓器件的氮化镓热导率，λ₂为氮化镓器件的衬底层衬底材料的热导率。

S1.3计算出多栅氮化镓器件热阻R_th·m。

设置多栅氮化镓器件模型的结构参数及相应部分材料的热导率，依此为：多栅氮化镓器件的栅极长度L_g、栅极宽度W_g、氮化镓层厚度t₁、衬底层厚度t₂、栅极数量N，栅极间距s、氮化镓热导率λ₁、衬底层材料及其热导率λ₂等。

具体操作为：获取多栅氮化镓器件模型切面，沿切面从氮化镓层向衬底层方向分为多栅氮化镓器件模型第一区域、多栅氮化镓器件模型第二区域和多栅氮化镓器件模型第三区域，多栅氮化镓器件模型切面的三个区域分布结构如图3所示。计算出单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·m)，多栅氮化镓器件热阻(R_th·m)的计算公式为：

其中，

R_th·1′为多栅氮化镓器件模型第一区域的热阻，R_th·2′为多栅氮化镓器件模型第二区域的热阻，R_th·3′为多栅氮化镓器件模型第三区域的热阻，N为栅极数量，s为栅极间距。

所述步骤S2中，具体包括如下步骤：

S2.1选取待测试的氮化镓器件裸芯片，获取氮化镓器件裸芯片的结构参数，所述的结构参数包括：氮化镓器件裸芯片的尺寸、栅极长度L_g、栅极宽度W_g、氮化镓层厚度t₁、衬底层厚度t₂、栅极数量N、栅极间距s、氮化镓热导率λ₁、衬底材料的热导率λ₂的参数值。

S2.2将选好的氮化镓器件裸芯片封装在印刷电路板上获得测试板，将测试板进行电学测试与热分布测试，进行电学测试时选取静态工作点记录栅极电压V_g0、漏极电压V_d0、漏极电流I_d0，并利用红外热像仪获取该测试板在此条件下工作时的热分布图，记录每个分辨率点的温度数据。

其中，将氮化镓器件裸芯片封装在印刷电路板的具体过程为：设计并加工用于测试的印刷电路板尺寸为4cm×4cm，根据氮化镓器件裸芯片大小设置好尺寸为4mm×7mm的栅极焊盘、尺寸为5mm×3mm的漏极焊盘、尺寸为5mm×3mm的衬底焊盘其大小和对应布局，同时分别引出测试焊盘6mm×5mm用于连接电源和测试仪器，所有焊盘均采用沉金工艺便于氮化镓器件裸芯片焊接及绑定。

将氮化镓器件裸芯片用金锡合金等导电焊料焊于印刷电路板的衬底焊盘上，并使用多根金线将氮化镓器件裸芯片的栅极、漏极引出到印刷电路板上对应焊盘，使氮化镓器件裸芯片与印刷电路板建立连接，即得到测试板。使用粗铜线焊接于印刷电路板的测试焊盘，减小导线电阻对测试的影响，同时注意控制整片印刷电路板凸出部分的高度，避免因妨碍红外热像仪物镜的下降导致测试受阻或损害物镜。

测试板的结构如图4所示。图4中10为印刷电路板，11为粗铜线及其焊点，12为氮化镓器件裸芯片，13为绑定线，14为裸芯片电极焊盘、15为板上连接线，16为外接线焊盘，17为焊料。

测试之前为了保证印刷电路板底部均匀受热，需要在其背部均匀涂抹导热硅脂，并放置于热测试台上夹紧避免测试过程中发生移动，并按规则连接粗铜线与电源和测试仪器。因为红外热像仪的测温范围限制，需要先将测试台加热到70摄氏度；选择红外热像仪中合适大小的高倍镜对准芯片，使芯片处于物镜中央且大小适于观察；开启测试软件进行热校准，使整个印刷电路板及氮化镓器件裸芯片显示均匀的70摄氏度；红外热像仪校准后，打开电源及测试仪器，通过粗铜线给芯片上电，调节栅极电压、漏极电压，使器件处于工作状态，从仪器上获取器件的工作电流并记录下来，绘制成器件在此温度及工作条件下的转移曲线与输出曲线。

选取一个稳定的静态工作点P0，此时的栅极电压为V_g0、漏极电压为V_d0、漏极电流为I_d0，利用红外热像仪及相关软件获取器件在此条件下工作时的热分布图，记录在该高倍物镜下每个分辨率点的温度数据。

所述步骤S3中，具体包括如下步骤：

S3.1根据步骤S2.1中所获得待测试的氮化镓器件裸芯片的结构参数及印刷电路板的结构参数构建氮化镓器件测试板三维模型，所述的氮化镓器件测试板三维模型中包括氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型。由于此三维模型重点在于热分布的预测仿真，因此三维模型只考虑厚度较大或对于热扩散影响较大的结构。

先设置氮化镓器件裸芯片三维模型的三维尺寸，定义氮化镓层厚度为2微米和衬底碳化硅层厚度为100微米，忽略其他较薄材料层，并在氮化镓器件裸芯片三维模型顶部放置源极电极、漏极电极、源极通孔等，定义源极电极、漏极电极等电极材料，如图5所示。图5中18为源极电极，19为源极通孔，20为漏极电极，21为栅指，22为氮化镓层，23为碳化硅层。

建立印刷电路板三维模型，由于发热部位集中在氮化镓器件裸芯片附近，因此印刷电路板三维模型主要涉及氮化镓器件裸芯片三维模型附近的情况。在有限元分析软件中导入步骤S2所设计的印刷电路板及其顶层栅极、漏极、衬底金属焊盘的大小和布局，建立起印刷电路板三维模型，设置印刷电路板材料为FR4且厚度为1500微米，导热系数为0.49W/(m·K)。

下一步，通过平移的方式，将氮化镓器件裸芯片三维模型放置在印刷电路板三维模型衬底焊盘的沉金层上，并在中间加上一层金锡合金材料层，使两个三维模型在物理空间上形成一个连接的整体，能够直接发生热交换，并忽略由金丝等绑定线带来的热传导，所构建的氮化镓器件测试板三维模型如图6所示，该图中24为印刷电路板三维模型，25为栅极焊盘三维模型，26为衬底焊盘三维模型，27为漏极焊盘三维模型，28为氮化镓器件裸芯片三维模型。

S3.2根据步骤S2.2获得的静态工作点的漏极电压V_d0和漏极电流I_d0计算出此条件时的功耗，并对氮化镓器件测试板三维模型进行固体传热仿真，获得氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图。

设置氮化镓器件测试板三维模型中氮化镓器件裸芯片三维模型的栅指为热源，根据步骤S2中获取的静态工作点P0，计算用于固体传热仿真时热源的功耗为P₀＝V_d0×I_d0，氮化镓器件测试板三维模型的初始边界温度与S2步骤一致，为70℃；利用有限元仿真软件在进行网格划分，尤其是氮化镓器件裸芯片三维模型的栅极附近进行超细化的网格划分后进行稳态下的固体传热仿真，获得氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图，如图7所示。

所述步骤S4中，具体包括如下步骤：

S4.1将步骤S2.2所得的测试板在静态工作点时的热分布图与步骤S3.2获得的氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型的热分布图作比较，修改氮化镓器件测试板三维模型中的部分结构参数、导热系数等，使步骤S3.2获得的氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图与骤S2.2所得的测试板在静态工作点时的热分布图贴合，得拟合三维模型热分布图。

通过在合理范围内修改步骤S3氮化镓器件测试板三维模型中的部分结构参数、导热系数等相关材料参数，使得步骤S3中的氮化镓器件测试板三维模型热仿真结果更加贴合步骤S2中的P0静态点下热分布图上的温度数据。

因为受限于步骤S2中红外热像仪的工作原理及空间分辨率，实际测试无法获取准确的器件内部温度、沟道最高温度、某个具体点的实际温度等，用测试结果直接进行热阻计算会引起较大的误差。因此利用仿真拟合的方法，使得模型仿真结果更加贴合测试结果，同时仿真结果能够提供红外测试所无法获取的器件内部温度、沟道温度等具有重要意义的参数。

S4.2从拟合三维模型热分布图中获得测试板的多栅氮化镓器件模型第一区域的中心平均温度Ta、多栅氮化镓器件模型第二区域的中心平均温度Tb和多栅氮化镓器件模型第三区域的中心平均温度Tc，分别计算多栅氮化镓器件模型各区域的热导率后代入步骤1.3中的多栅器件热阻计算公式得测试氮化镓器件热阻，材料的热导率计算公式为：

其中，a为材料的系数，不同的材料具有不同的系数。T为多栅氮化镓器件模型各区域的中心平均温度，λ(T)为材料在T温度下的热导率，λ(@300K)为材料在300K温度下的热导率。这样可以获取更为准确的测试氮化镓器件热阻。

此处以碳化硅作为衬底材料进行介绍，将计算得到的各区域材料热导率代入步骤S1.3中的多栅器件热阻计算公式，得到测试氮化镓器件热阻，如图8所示。其中，材料的热导率计算公式为：

其中，λ₁(T)为氮化镓器件的氮化镓T温度下的热导率，λ₂(T)为氮化镓器件的衬底层衬底碳化硅T温度下的热导率，T为多栅氮化镓器件模型各区域的中心平均温度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提取氮化镓器件热阻的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1进行氮化镓器件热阻计算公式推导；

S2选取待测试的氮化镓器件裸芯片封装后进行电学测试与热分布测试；

S3建立氮化镓器件测试板三维模型并进行热仿真；

S4仿真结果与热分布测试结果拟合后获取温度值进行热阻数值计算得到测试氮化镓器件热阻。

2.根据权利要求1所述的一种提取氮化镓器件热阻的方法，其特征在于，所述步骤S1，具体包括如下步骤：

S1.1获取氮化镓器件模型并对其进行简化处理后得单栅氮化镓器件模型；

S1.2根据单栅氮化镓器件模型推导单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·s)；

S1.3计算多栅氮化镓器件热阻(R_th·m)。

3.根据权利要求2所述的一种提取氮化镓器件热阻的方法，其特征在于，在所述步骤S1.1中，所述的单栅氮化镓器件模型包括金属电极、氮化镓层和衬底层，所述的衬底层是碳化硅、硅的材料层。

4.根据权利要求3所述的一种提取氮化镓器件热阻的方法，其特征在于，在所述步骤S1.2中，推导单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·s)的过程为：获取单栅氮化镓器件模型切面，沿切面从氮化镓层向衬底层方向分为形状为近似圆柱体的单栅氮化镓器件模型第一区域、形状为长椭球体的单栅氮化镓器件模型第二区域和形状为椭圆柱体的单栅氮化镓器件模型第三区域，计算出单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·s)，单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·s)的计算公式为：

其中，R_th·1为单栅氮化镓器件模型第一区域的热阻，R_th·2为单栅氮化镓器件模型第二区域热阻，R_th·3为单栅氮化镓器件模型第三区域热阻，r_1A和r_1B分别为单栅氮化镓器件模型第二区域共焦长椭球体状热分布的小半径范围，r_2A和r_2B分别为单栅氮化镓器件模型第二区域共焦长椭球体状热分布的大半径范围，r_3A和r_3B分别为单栅氮化镓器件模型第三区域的两个半平面共焦椭圆柱状热分布的小半径范围，r_4A和r_4B为单栅氮化镓器件模型第三区域的半平面共焦椭圆柱状热分布的大半径范围，L为单栅氮化镓器件模型第三区域的圆柱长度；L_g为氮化镓器件模型的栅极长度，W_g为氮化镓器件模型的栅极宽度，t₁为氮化镓器件模型的氮化镓层厚度，t₂为氮化镓器件模型的衬底层厚度，λ₁为氮化镓器件的氮化镓热导率，λ₂为氮化镓器件的衬底层衬底材料的热导率。

5.根据权利要求4所述的一种提取氮化镓器件热阻的方法，其特征在于，在所述步骤S1.3中，获取多栅氮化镓器件模型切面，沿切面从氮化镓层向衬底层方向分为多栅氮化镓器件模型第一区域、多栅氮化镓器件模型第二区域和多栅氮化镓器件模型第三区域，计算出单栅氮化镓器件模型热阻(R_th·m)，多栅氮化镓器件热阻(R_th·m)的计算公式为：

其中，

R_th·1′为多栅氮化镓器件模型第一区域的热阻，R_th·2′为多栅氮化镓器件模型第二区域的热阻，R_th·3′为多栅氮化镓器件模型第三区域的热阻，N为栅极数量，s为栅极间距。

6.根据权利要求5所述的一种提取氮化镓器件热阻的方法，其特征在于，所述步骤S2中，具体包括如下步骤：

S2.1选取待测试的氮化镓器件裸芯片，获取氮化镓器件裸芯片的结构参数，所述的结构参数包括：氮化镓器件裸芯片的尺寸、栅极长度(L_g)、栅极宽度(W_g)、氮化镓层厚度(t₁)、衬底层厚度(t₂)、栅极数量(N)、栅极间距(s)、氮化镓热导率(λ₁)、衬底材料的热导率(λ₂)的参数值；

S2.2将选好的氮化镓器件裸芯片封装在印刷电路板上获得测试板，将测试板进行电学测试与热分布测试，进行电学测试时选取静态工作点记录栅极电压(V_g0)、漏极电压(V_d0)、漏极电流(I_d0)，并利用红外热像仪获取该测试板在此条件下工作时的热分布图，记录每个分辨率点的温度数据。

7.根据权利要求6所述的一种提取氮化镓器件热阻的方法，其特征在于，所述步骤S3中，具体包括如下步骤：

S3.1根据步骤S2.1中所获得待测试的氮化镓器件裸芯片的结构参数及印刷电路板的结构参数构建氮化镓器件测试板三维模型，所述的氮化镓器件测试板三维模型中包括氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型；

S3.2根据步骤S2.2获得的静态工作点的漏极电压(V_d0)和漏极电流(I_d0)计算出此条件时的功耗，并对氮化镓器件测试板三维模型进行固体传热仿真，获得氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图。

8.根据权利要求7所述的一种提取氮化镓器件热阻的方法，其特征在于，所述步骤S4中，具体包括如下步骤：

S4.1将步骤S2.2所得的测试板在静态工作点时的热分布图与步骤S3.2获得的氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图作比较，修改氮化镓器件测试板三维模型中的部分结构参数、导热系数，使步骤S3.2获得的氮化镓器件裸芯片三维模型和印刷电路板三维模型表面的热分布图与骤S2.2所得的测试板在静态工作点时的热分布图贴合，得拟合三维模型热分布图；

S4.2从拟合三维模型热分布图中获得测试板的多栅氮化镓器件模型第一区域的中心平均温度(Ta)、多栅氮化镓器件模型第二区域的中心平均温度(Tb)和多栅氮化镓器件模型第三区域的中心平均温度(Tc)，分别计算多栅氮化镓器件模型各区域的热导率后代入步骤1.3中的多栅器件热阻计算公式得测试氮化镓器件热阻，材料的热导率计算公式为：

其中，a为材料的系数，T为多栅氮化镓器件模型各区域的中心平均温度，λ(T)为材料在T温度下的热导率，λ(@300K)为材料在300K温度下的热导率。

Images