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

/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，才能完成精確熱設(shè)計(jì)，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(jì)基礎(chǔ)系列文章會(huì)聯(lián)系實(shí)際，比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測(cè)量方法。

功率半導(dǎo)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(dǎo)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?yàn)闊崃吭趥鬟f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(dǎo)熱通路上有多個(gè)導(dǎo)熱層，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設(shè)計(jì)的具體需要定義了殼溫Tc和散熱器溫度Th，以及測(cè)試方法。

在損耗和熱仿真時(shí)，基本的仿真總是針對(duì)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(shù)據(jù)手冊(cè)就是這樣定義的。

按照IEC 60747-15，具體測(cè)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(cè)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(yàn)特征，應(yīng)予規(guī)定）的規(guī)定的盲孔測(cè)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(shù)據(jù)手冊(cè)上的定義和測(cè)量方法不一致，這樣的管殼溫度可以作為設(shè)計(jì)也測(cè)量參考，需要的化，可以通過(guò)測(cè)量定標(biāo)，建立與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系。

為了測(cè)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(dǎo)擴(kuò)散，孔和探頭對(duì)測(cè)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(duì)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(dǎo)非常有限，熱傳遞的有效面積與芯片尺寸相當(dāng)，打孔測(cè)殼溫對(duì)模塊散熱影響就比較大，測(cè)量改變了工況，這樣的測(cè)量不宜提倡。

因此，對(duì)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(shù)據(jù)手冊(cè)里找不到RthJC和RthCH。

模塊殼溫的工程測(cè)量方法：

在芯片底部測(cè)殼溫是型式試驗(yàn)方法，用于功率平臺(tái)開(kāi)發(fā)，而實(shí)際應(yīng)用中，功率模塊會(huì)自帶NTC，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為測(cè)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(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(dú)的基片上。

NTC測(cè)量值不是數(shù)據(jù)手冊(cè)中定義熱阻的殼溫，需要按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，或進(jìn)行散熱定標(biāo)。

熱量可能傳導(dǎo)路徑的等效熱路：

經(jīng)驗(yàn)法：

NTC可用于穩(wěn)態(tài)過(guò)熱保護(hù)，其時(shí)間常數(shù)大約是2秒。在數(shù)據(jù)手冊(cè)上的瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)上可以讀到芯片的熱時(shí)間常數(shù)，0.2秒左右，但是整個(gè)散熱系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)卻非常大，譬如在20秒左右，因此NTC可以檢測(cè)較緩慢溫度變化和緩慢過(guò)載情況，對(duì)短時(shí)結(jié)溫過(guò)熱保護(hù)是無(wú)能為力的，更不能用于短路保護(hù)。

我們可以有兩個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)法：

1.由于連接芯片結(jié)到NTC的路徑RthJNTC上有溫度差，熱敏電阻NTC的溫度TNTC會(huì)比結(jié)溫TJ來(lái)得低。

2.但NTC的溫度會(huì)比散熱器上測(cè)量的溫度來(lái)得高。由經(jīng)驗(yàn)可知，對(duì)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(biāo)法和熱仿真得到更精確的數(shù)值。

定標(biāo)法：

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成的功率系統(tǒng)，我們可以測(cè)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(wěn)態(tài)條件下來(lái)監(jiān)測(cè)芯片溫度。具體方法參考《論文|如何通過(guò)IGBT模塊內(nèi)置的NTC電阻測(cè)量芯片結(jié)溫》。

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

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

單管管腳溫度測(cè)量：

功率半導(dǎo)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(jì)中往往測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。