热阻-结点到电路板(RθJB)
RθJB也许是最重要的一个热性能指标，因为大部分的应用都会使用它。正如图1所示，RθJB是在不考虑电路板的类型或尺寸的情况下，计算从器件结点至锡条底部的热阻。因此，如果最终用户知道热特性和所应用的环境，那么将所有子部件的热阻以代数方式累计起来就可以得出整个系统的总热阻值。
图1 RθJB是在不考虑电路板的类型或尺寸的情况下，计算从器件结点到锡条底部的热阻。
热阻-结点到外壳(RθJC)
当最终用户想在氮化镓场效应晶体管的顶部增加额外的散热器，我们得出RθJC值。图2显示了测量RRθJC所需的典型测试装置。
图2 测量RθJC所需的典型测试装置。
图2的水冷散热器是通过环流加热器/冷却器来调整温度，以保持25℃的常温。QFN板是一块非常小而且简单的测试电路板，可以在测试DUT时容许电气连接至器件我们把“隔离垫片”(Shim Spacer)附加在非常小的器件上，以防止器件发生倾斜和对齐的问题。10Ω的电阻器可以防止可能发生的栅极振荡，因为DUT和测试电路之间的导线长度大约是0.3米。所有电源线都以Kelvin方式连接至仪器，目的是消除电源线上的IxR压降。DUT和水冷散热器之间的热界面的物料是水，附有少量活性剂，以提高表面润湿度，DUT系统被气压固定在某个位置上。热电偶用来监测从锡球和电路板散出来的热量，以评估被水冷散热器除去的热量，这可以得出实际的RθJC。
热阻-结点到环境(RθJA)
RθJA(结点到环境的热阻)是当我们安装DUT在单面、两盎司铜、FR-4的一平方英寸电路板上时(645.16mm2)，通过器件的锡条，把其中的半平方英寸连接至源极，把另外的半平方英寸连接至漏极(见图3)。
图3 用于测量RθJA的电路板版图，具1平方英寸的铜面积。其中有一半铜连接至源极，另一半则连接至漏极。
当最终用户安装氮化镓场效应晶体管在电路板上而不考虑增加散热器的情况下，RθJA是个给定值。在器件表征过程中，DUT悬挂在一立方英尺(0.0832立方米)密封盒的中央，并处于静止空气和25℃起始温度下。DUT在结点温度为125℃下附加“导通”偏置，并保持1000秒，然后根据下文所列出的公式2，我们就可以计算出RθJA。
由于应用的设计不必使用一个一平方英寸(645.16平方毫米)的电路板，图4展示了减少铜焊盘面积将增加热阻的函数关系，并归一化为645.16平方毫米(1平方英寸)
图4 展示了减少铜焊盘面积导致热阻增加的函数关系，并归一化为645.16平方毫米(1平方英寸)。
测量结果
表1列出各个器件及其型号的热阻值:RθJC、RθJB和RθJA。图5显示了归一化瞬态热阻的(ZθJB)曲线集。在器件的表征过程中，我们发现测量所得的氮化镓场效应晶体管器件1~6的归一化ZθJB热阻值儿乎是完全相同的。
表1 热阻一览表
图5 氮化镓场效应晶体管的归一化ZθJC曲线集。
热测量方法
使用传统硅MOSFET的用户可识别出三个对温度敏感度的参数，用以标示器件的结温(TJ)。但氮化镓场效应晶体管有几方面的限制。第一个限制是没有固有的体二极管评估出结点温度;第二个限制是具有非常低的栅极阈值电压(VGS(TH))，并且随温度变化的VGS(TH)斜率与硅MOSFET相比是相当平坦的，这代表在测量结温(TJ)时，氮化镓场效应晶体管的VGS(TH)并不是一个非常敏感的参数。所剩下对温度敏感的参数是器件的导通电阻(RDS(ON))，因此导通电阻成为测量结点温度的首选参数。
RDS(ON)是一个卓越的结点温度标示值，其缺点是作为TJ函数的RDS(ON)，要校准它需要相当耗时的一个程序，并且需要出色的检测技术。用RDS(ON)作为对温度灵敏度的参数的主要优势是我们可以在准确的热产生的物理位置上，测量到它的升温值，而体二极管VDS或VGS(TH)的测试都不能真实反映这个升温值。
要校准RDS(ON)温度灵敏参数有两个步骤。第一个步骤是计算作为温度函数TJ的RDS(ON)的明显值，这需要利用高栅极电压使待测器件(DUT)维持在导通的状态下，使器件进入饱和状态。为了评估氮化镓场效应晶体管，栅极至源极的电压(VGS)设定为5V。然后在漏极至源极之间施加一个低偏置电流，典型值为0.3A至1A，取决于晶片的尺寸和其RDS(ON)。这个电流需要足够的大电流值来取得良好的VDS分辨率，同时又不会大幅对结点加热。在这些偏压情况下，DUT被放进一个环境试验室内，并与漏极和源极保持Kelvin连接和使用一个合适的电流感测电阻器，其典型值为0.01Ω。这个环境室的温度将在25℃和125℃之间以大约25℃的步距加热升温。在整个过程中我们采集了表2所列的数据。明显的RDS(ON)值可以用VDS/lD(漏电流)计算。
表2 氮化镓场效应晶体管器件③在不同温度下明显的RDS(ON)值。
从表2我们可以得出如下的一个数学函数：
y=exp(a+bx)其中x是温度及y是RDS(ON)值(1)
第二个步骤是评估作为漏电流(ID)函数的RDS(ON)在25℃时的数值，因为RDS(ON)也被lD所调制。我们需要搭建一个RDS(ON)相对lD值的测试夹具，它能在数十毫秒内采集RDS(ON)的数据。这样我们可以确保DUT在输出特征曲线的饱和区域内。然后，我们可以在25℃下使用一般公式:y=mx+c，得出在大电流和小电流之间的直线近似值。表3展示了这个函数的一个例子，其中x=ID。
表3 氮化镓场效应晶体管器件③的RDS(ON)与ID关系数据表的一个例子。
使用从两组数据所取得的公式，并从作为TJ函数的明显的RDS(ON)值，减去作为ID函数的RDS(ON)值，我们得出作为TJ函数的实际RDS(ON)值。
从上述以数学方法得出的曲线可以看到，热阻Rθ的计算方法是简单及直接的。热阻可以由以下的一般公式得出:
当我们建立了RθJC及热阻ZθJC的测试程序后，可以用多种方式来评估氮化镓场效应晶体管在实际应用中的热性能。
总结
使用表面装贴方法的晶体管如氮化镓场效应晶体管有多种物理装贴方式。根据用户的应用，如何安装器件对器件的功耗和其最大电流能力有显著的影响。这些器件参数的限制因素是控制分立器件的最大结点温度。测量氮化镓场效应晶体管的结温的最可行方法是通过表征和测量RDS(ON)的变化。