作者：陳子穎

前言

功率半導體熱設計是實現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比較系統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

確定熱阻抗曲線

測量原理——Rth/Zth基礎：

IEC 60747-9即GB/T 29332半導體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）（等同采用）中描述了測量的基本原理。確定熱阻抗的方法如圖1所示。恒定功率PL由加載的電流產生，并達到穩定結溫Tj。關閉加載電流，記錄器件的降溫過程。

熱阻R_th(x-y)是兩個溫度T_x0和T_y0在t=0時（達到熱平衡，結溫穩定時）的差值除以P_L。



熱模型升溫和降溫是對稱的，關斷時刻的溫度減去降溫曲線就是升溫曲線，而關斷時刻的起始溫度TJ0精確獲得是關鍵。

實際計算隨時間變化的熱阻抗Z_th(x-y)(t)，記錄的溫度曲線需要垂直鏡像，并移動到坐標系的原點。然后將T_x(t)和T_y(t)的差值除以PL求得Z_th(x-y)(t)。


為了確定冷卻階段的結溫，模塊將施加一個測量小電流(I_ref約為1/1000 Inom)，并記錄由此產生的IGBT的飽和壓降或二極管的正向電壓。結溫T_j(t) 可借助標定曲線從測量的飽和壓降或正向電壓中確定T_j=f(V_CE/VF@I_ref)。其反函數曲線V_CE/V_F=f(T_j@I_ref)（見圖二）是通過外部均勻加熱被測模塊的方式提前定標記錄下來的。



外殼溫度T_c和散熱器溫度T_h是通過熱電偶測定的。這是它們分別與模塊底板和散熱器接觸的位置(見圖三，左側)。在這兩種情況下，熱電偶投影軸心位于每塊芯片的中心(見圖三，右側)。

R_th/Z_th測量的挑戰和優化

模塊的瞬態熱阻最小為1毫秒，單管是1us，而且給出單脈沖和不同占空比下的值，這如何測量的呢？

在冷卻階段開始時，就需要精確測量以確定準確的T_j和T_c。需要指出的是，關斷后，由于小的時間常數，很短的時間會導致T_vj發生很大變化，因此這是一個非常重要的測量時間段。另一方面，此時也會出現振蕩，給測量帶來很大困難，見圖四。小于某個截止時間t_cut的所有時間點上的數據不可以用，但在此時間間隔內的溫度變化ΔT_J(t_cut)又很重要，好在對于短時間t，在∆T_J(t)和時間t的平方根存在幾乎線性的關系，可以用于推算出T_J0，見圖五。


因為，對于均質材料的"半無限"散熱器板（即表面積無限大的板--確保垂直于表面的一維熱流--厚度無限大），其表面以恒定的功率密度P_H/A加熱，當加熱功率開啟/關閉時，表面溫度隨加熱/冷卻時間的平方根線性上升/下降。


c、ρ和λ別是板材料的比熱、密度和導熱系數。


在英飛凌應用指南AN2015-10提到了目前正在使用一種改進的測量系統（見圖六）。


隨著技術和產品的進步，英飛凌重新制定了R_th/Z_th測量方法和仿真方法。通過使用新的測量設備，現在可以更精確地確定IGBT模塊的R_th/Z_th值³)。

圖七對此進行了簡化描述。與以前的測量系統"A"相比，修改后的測量系統"B"在t=0時T_j和T_c之間的差值更大。如圖一所示，這一溫差與熱阻R_th成正比，同時也會影響熱阻抗Z_th。


熱阻抗與溫度有關

由于模塊的熱力學行為，外殼和散熱器之間的熱阻抗（Z_thCH和Z_thJH）與溫度有關。模塊經過優化，可最高效地把熱傳導至散熱器，以適應半導體使用的典型高工作溫度。因此，數據手冊條件僅反映高溫運行工況，如果模塊在較低的外殼溫度下運行，用戶應自行測量特定熱阻抗，可能會顯著增加。

小結

瞬態熱阻一般是用降溫曲線測得的，這樣，溫度敏感參數(TSP)就不會受到加熱電壓或加熱電流的干擾，在測量過程中也無需控制加熱功率。雖然不推薦使用加熱曲線，但如果在加熱脈沖時間內加熱功率P_H恒定，且能保證不與芯片上的獨立TSP器件發生電氣串擾，則原則上也可使用加熱曲線4）。

數據手冊中的Z_thCH和Z_thJH，是高溫下的值，在器件殼溫低時候，需要考慮數值是否變大3）。

額外的收獲是，通過公式1，可以計算出芯片的有效面積4)，由于芯片有效面積是知道的，可以用來驗證測試值。


參考資料

1.《IGBT模塊：技術、驅動和應用 》機械工業出版社

2. IEC 60747-9 Semiconductor devices - Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)

3. AN2015-10 Transient thermal measurements and thermal  equivalent circuit models

4.JESD51-14-Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path