【導讀】功率半導體熱設計是實(shí)現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。
前言
功率半導體熱設計是實(shí)現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。
功率器件熱設計基礎系列文章會(huì )聯(lián)系實(shí)際，比較系統地講解熱設計基礎知識，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)構成的。各層都有相應的熱阻，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(guò)程中，需要依次克服每一個(gè)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(gè)導熱層，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設計的具體需要定義了殼溫Tc和散熱器溫度Th，以及測試方法。
在損耗和熱仿真時(shí)，基本的仿真總是針對單個(gè)IGBT或單個(gè)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。英飛凌數據手冊就是這樣定義的。
按照IEC 60747-15，具體測試方法為：
Tc：殼溫是通過(guò)功率開(kāi)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Tc。
Ts（Th）：散熱器溫度是通過(guò)止于散熱器表面下方2mm±1mm（型式試驗特征，應予規定）的規定的盲孔測量。
Tsx：散熱器溫度也可以取自距功率開(kāi)關(guān)（芯片）最近的最熱可觸及點(diǎn)，但這殼溫與英飛凌數據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計也測量參考，需要的化，可以通過(guò)測量定標，建立與結溫的函數關(guān)系。
為了測量Tc打了穿透散熱器以及熱界面材料的小孔，插入傳感器會(huì )影響模塊殼到散熱器的熱傳遞，好在有基板的模塊，熱會(huì )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Rth(j-s),Rth(c-s)與本文中Rthjh和RthCH一致。
對于沒(méi)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(méi)有基板的模塊，熱阻抗的參考溫度為T(mén)s（Th）而不再用TC，就是說(shuō)直接定義RthJH，在數據手冊里找不到RthJC和RthCH。
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(kāi)發(fā)，而實(shí)際應用中，功率模塊會(huì )自帶NTC，負溫度系數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(gè)比較緊密的熱耦合。根據模塊的不同，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測量值不是數據手冊中定義熱阻的殼溫，需要按照經(jīng)驗進(jìn)行修正，或進(jìn)行散熱定標。
熱量可能傳導路徑的等效熱路：
經(jīng)驗法：
NTC可用于穩態(tài)過(guò)熱保護，其時(shí)間常數大約是2秒。在數據手冊上的瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)上可以讀到芯片的熱時(shí)間常數，0.2秒左右，但是整個(gè)散熱系統的時(shí)間常數卻非常大，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(guò)載情況，對短時(shí)結溫過(guò)熱保護是無(wú)能為力的，更不能用于短路保護。
我們可以有兩個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)法：
1.由于連接芯片結到NTC的路徑RthJNTC上有溫度差，熱敏電阻NTC的溫度TNTC會(huì )比結溫TJ來(lái)得低。
2.但NTC的溫度會(huì )比散熱器上測量的溫度來(lái)得高。由經(jīng)驗可知，對于電力電子設備，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值。
定標法：
對于結構設計完成的功率系統，我們可以測得芯片表面溫度和在特定的散熱條件下的Tvj~TNTC曲線(xiàn)，這曲線(xiàn)可以很好幫助你利用NTC在穩態(tài)條件下來(lái)監測芯片溫度。具體方法參考《論文|如何通過(guò)IGBT模塊內置的NTC電阻測量芯片結溫》。
下圖就是摘自上述微信文章，被測器件是PrimePACK?模塊FF1000R17IE4 1000A/1700V，采用可調風(fēng)速的風(fēng)冷散熱器。
芯片的溫度用紅外熱成像儀測量，數據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(guò)數據采集器記錄，并且根據IGBT模塊數據手冊中的NTC阻值-溫度曲線(xiàn)將電阻值轉換成對應的溫度值。
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，在系統設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(huì )在1973年就發(fā)布了一份出版物《測量晶體管引線(xiàn)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(xiàn)溫度測量點(diǎn)為距離外殼1.5毫米處或制造商指定的位置，如圖綠點(diǎn)位置；
2.熱電偶測量時(shí)，必須注意熱電偶與引線(xiàn)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(xiàn)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(guò)1.4mm。
文章來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導體
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
借助完全可互操作且符合 EMC 標準的 3.3V CAN 收發(fā)器簡(jiǎn)化汽車(chē)接口設計
創(chuàng )實(shí)技術(shù)electronica 2024首秀：加速?lài)鴥确咒N(xiāo)商海外拓展之路
