一、何为热阻？

MOSFET的热阻（R_th）是用来表现器件散热能力的参数。

器件在工作时，芯片内部会产生大量的热量，这些热量会传向与其接触的物质，如与之粘连的金属导片(框架)，以及包裹其的塑封料，而这些材料会阻碍芯片的热量传递过来，衡量这种阻热能力强弱的参数，就是热阻R_th，其单位是℃/W，越小越好。

热阻分为两种：R_thj-a与R_thj-c，即R_thj-a(Juntion-to-Ambience)与R_thj-c(Junction-to-case);

前者表示以芯片表面到周围环境的热阻，芯片作为一个系统，其他所有条件(封装、金属框架、电路板、空气流通等等)作为另一个系统，主要定性地用来评估器件的散热能力，如图1所示；

后者表示芯片表面到塑封体表面传热时受到的热阻，其只与封装材料(塑封料、框架)相关，可以定量评估器件散热能力，如图2所示。

二、理解

热学参数与电学参数有着完美的对应关系，一如热阻与电阻，如下表：

其公式1为：

其中，λ是介质的热导率；d是介质的厚度；A是介质的横截面积；

根据决定式，MOSFET器件热阻主要与以下因素有关：

①芯片面积

芯片的面积越大，热阻越低。

例如，一个较大面积的MOSFET芯片，相同封装外形其热阻通常会比面积小的芯片低。

②芯片厚度

芯片越薄，热量从芯片内部(PN结处)传递到芯片表面的距离越短，热阻就越小。

③芯片材料

不同的半导体材料热导率λ不同，热导率越高热阻越小。

例如，硅（Si）的热导率比碳化硅（SiC）低，因此硅材料制成的MOSFET芯片，相比于碳化硅热阻较高。

④封装外形

不同的封装外形其热传导路径、散热面积、材料特性及结构设计不同，热阻也就不同。

公式2：

其中，Ta表示环境温度，或者结壳温度，Tb表示结温，△T是介质两侧温差；P是流过介质的热流；

在MOSFET器件中，P表示电流流过器件时产生的功耗，可以根据定义式进行热阻的测量。

三、意义

功率MOSFET器件通常工作在大电压、大电流下，很容易发热，如果这些热量不能及时的散发出去，就会导致器件内部温度升高，严重时会造成永久性的损坏。

因此，提高其散热能力、降低器件的热阻对于器件的正常工作非常重要。

台奕半导体公司，多年来一直深耕功率MOSFET与模拟芯片领域，本次我们就以台奕的特色型号TN3401PSA(完美替代市面上常见的3401MOS管)型号为例，演示我司测试该参数所使用的方法。

四、测试方法

已知热阻（Rth）的定义式为：

环境温度Tb通常容易获得，一般定为25℃，而关键参数结温Ta该如何获得呢？

在这之前，需要用一个实验测出在固定结温下，而P MOSFET器件TN3401PSA关键参数的数值(有V_TH、V_FSD、RD_ON等)，再在改变结温的情况下，得出一组该参数随结温变化的数据，然后得出参数与结温的定量关系曲线图，那么后期就可以通过该关键参数的值，反得出该关键参数值下，所对应的结温了。

①、绘制关系曲线图：

本文采用测试V_F(TN3401PSA寄生二极管的压降)随温度变化的办法，来得出该关系曲线图，实验如下：

将TN3401PSA管放入一个装有油的容器中，通过加热油，从而加热器件整体的温度，等器件整体的温度上升到与油温一样时(一定时间，系统温度情况稳定后)，内部结温也就等于油温了，此时测试该温度下，对应的V_F值，通过改变油温的值，测试不同温度对应的V_F，即可得到个温度下V_F的变化曲线图。

经过实验，得到曲线图如下：

②、测试热阻：

以测试R_thj-c为例，在室温条件下（Tc=25℃），将MOSFET器件平放在散热板上，通过功率输出设备将特定的脉冲功率信号加到器件上（P）,使器件加热升温，每个周期采集器件的特征参数值，当参数值达到平衡后（表征器件产热量等于散热量，结温不在随时间而变化），此时记录下器件表壳的温度T_a。

根据之前的结温校验测试曲线，可以得到相应的结温T_b，此时我们可以计算出终TN3401PSA的热阻R_thj-c值：

根据每个周期收集的特征参数值，可以得到TN3401PSA（不同占空比条件下）瞬态热阻随时间的变化曲线，如下图，占空比从下到上依次加宽：

由该图可知：

初始阶段：热阻上升阶段，该阶段，芯片本身温度不均衡，PN结处温度大于其他部分温度，因此热量从芯片内部PN结处传导至芯片表面，其热阻大小主要由芯片内部(材质)决定；

中间阶段：热阻上升，热量从芯片传导至封装外壳，主要由焊料(锡膏等)及封装材料等热阻决定；

稳态阶段：热阻趋于恒定值，热量通过所有热传导路径（芯片→焊料→封装→外壳）散发至环境，各层热阻均被激活，对应各层热阻之和。

结论：

台奕特色MOS产品TN3401PSA热响应曲线通过时间维度的热阻变化，反映了其内部的热传导机制；

该测试参数不仅用于台奕公司对TN3401PSA管子热阻的精确测量，更可指导态热响封装设计优化及工艺缺陷排查，使我们在工艺层面，多次对TN3401PSA进行了改进，使其一步步成为品质优于其他厂商的特色产品。