功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)（三）——功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法

/ 前言 /

功率半導體熱設(shè)計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導體的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，才能完成精確熱設(shè)計，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)系列文章會聯(lián)系實際，比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，相關(guān)標準和工程測量方法。

功率半導體模塊殼溫和散熱器溫度

功率模塊的散熱通路由芯片、DCB、銅基板、散熱器和焊接層、導熱脂層串聯(lián)構(gòu)成的。各層都有相應(yīng)的熱阻，這些熱阻是串聯(lián)的，總熱阻等于各熱阻之和，這是因為熱量在傳遞過程中，需要依次克服每一個熱阻，所以總熱阻就是各熱阻的累積。

各芯片在導熱通路上有多個導熱層，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設(shè)計的具體需要定義了殼溫T _c 和散熱器溫度T _h ，以及測試方法。

在損耗和熱仿真時，基本的仿真總是針對單個IGBT或單個二極管，所以需要知道的殼溫是指芯片正下方的溫度，散熱器溫度也是指芯片正下方的溫度。英飛凌數(shù)據(jù)手冊就是這樣定義的。

按照IEC 60747-15，具體測試方法為：

T _c ： 殼溫是通過功率開關(guān)（芯片）下面穿透散熱器以及熱界面材料的小孔測量到的管殼溫度T c 。

T _s （T _h ）： 散熱器溫度是通過止于散熱器表面下方2mm±1mm（型式試驗特征，應(yīng)予規(guī)定）的規(guī)定的盲孔測量。

T _sx ： 散熱器溫度也可以取自距功率開關(guān)（芯片）最近的最熱可觸及點，但這殼溫與英飛凌數(shù)據(jù)手冊上的定義和測量方法不一致，這樣的管殼溫度可以作為設(shè)計也測量參考，需要的化，可以通過測量定標，建立與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系。

為了測量T _c 打了穿透散熱器以及熱界面材料的小孔，插入傳感器會影響模塊殼到散熱器的熱傳遞，好在有基板的模塊，熱會在基板上橫向傳導擴散，孔和探頭對測量誤差可以控制在5%水平。

注：在IEC 60747-15中的R _th(j-s) ,R _th(c-s) 與本文中R _thjh 和R _thCH 一致。

對于沒有基板的模塊，如英飛凌的Easy系列，DCB下表面的銅層很薄，熱的橫向傳導非常有限，熱傳遞的有效面積與芯片尺寸相當，打孔測殼溫對模塊散熱影響就比較大，測量改變了工況，這樣的測量不宜提倡。

因此，對于這種沒有基板的模塊，熱阻抗的參考溫度為T _s （T _h ）而不再用T _C ，就是說直接定義R _thJH ，在數(shù)據(jù)手冊里找不到R _thJC 和R _thCH 。

模塊殼溫的工程測量方法：

在芯片底部測殼溫是型式試驗方法，用于功率平臺開發(fā)，而實際應(yīng)用中，功率模塊會自帶NTC，負溫度系數(shù)熱敏電阻作為測溫元件。

NTC安裝在硅芯片的附近，以得到一個比較緊密的熱耦合。根據(jù)模塊的不同，NTC或者與硅芯片安裝在同一塊DCB上，或者安裝在單獨的基片上。

NTC測量值不是數(shù)據(jù)手冊中定義熱阻的殼溫，需要按照經(jīng)驗進行修正，或進行散熱定標。

熱量可能傳導路徑的等效熱路：

經(jīng)驗法：

NTC可用于穩(wěn)態(tài)過熱保護，其時間常數(shù)大約是2秒。在數(shù)據(jù)手冊上的瞬態(tài)熱阻曲線上可以讀到芯片的熱時間常數(shù)，0.2秒左右，但是整個散熱系統(tǒng)的時間常數(shù)卻非常大，譬如在20秒左右，因此NTC可以檢測較緩慢溫度變化和緩慢過載情況，對短時結(jié)溫過熱保護是無能為力的，更不能用于短路保護。

我們可以有兩個簡單的說法：

1.由于連接芯片結(jié)到NTC的路徑R _thJNTC 上有溫度差，熱敏電阻NTC的溫度T _NTC 會比結(jié)溫T _J 來得低。

2.但NTC的溫度會比散熱器上測量的溫度來得高。由經(jīng)驗可知，對于電力電子設(shè)備，散熱器的溫度和NTC的溫度的差值約等于10K的溫度左右。

這方法僅用于估算，建議用下面的定標法和熱仿真得到更精確的數(shù)值。

定標法：

對于結(jié)構(gòu)設(shè)計完成的功率系統(tǒng)，我們可以測得芯片表面溫度和在特定的散熱條件下的T _vj ~T _NTC 曲線，這曲線可以很好幫助你利用NTC在穩(wěn)態(tài)條件下來監(jiān)測芯片溫度。具體方法參考 《論文|如何通過IGBT模塊內(nèi)置的NTC電阻測量芯片結(jié)溫》 。

下圖就是摘自上述微信文章，被測器件是PrimePACK?模塊FF1000R17IE4 1000A/1700V，采用可調(diào)風速的風冷散熱器。

芯片的溫度用紅外熱成像儀測量，數(shù)據(jù)手冊所定義的殼溫用熱電偶在芯片下方測量。NTC電阻值通過數(shù)據(jù)采集器記錄，并且根據(jù)IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊中的NTC阻值-溫度曲線將電阻值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值。

單管管腳溫度測量：

功率半導體單管，例如TO-247-3封裝，其中心管腳是框架的一部分，在系統(tǒng)設(shè)計中往往測中心管腳溫度作為殼溫的參考，為此JEDEC即固態(tài)技術(shù)協(xié)會在1973年就發(fā)布了一份出版物《測量晶體管引線溫度的推薦做法》，目前有效版本是2004年的JEP84A 。

JEP84A推薦做法包括：

1.建議的引線溫度測量點為距離外殼1.5毫米處或制造商指定的位置，如圖綠點位置；

2.熱電偶測量時，必須注意熱電偶與引線表面的牢固接觸，建議采用焊接方式；

3.熱電偶球的橫截面積不得大于引線橫截面積的二分之一，由于圖示封裝b3=2.87mm，所以熱電偶不要超過1.4mm。