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聯系實際，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。

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、導熱脂層串聯構成的。各層都有相應的熱阻，這些熱阻是串聯的，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，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：殼溫是通過功率開關（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關（芯片）最近的最熱可觸及點，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，可以通過測量定標，建立與結溫的函數關系。


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Ts（Th）而不再用TC，就是說直接定義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，用于功率平臺開發，而實際應用中，功率模塊會自帶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：


經驗法：

NTC可用于穩態過熱保護，其時間常數大約是2秒。在數據手冊上的瞬態熱阻曲線上可以讀到芯片的熱時間常數，0.2秒左右，但是整個散熱系統的時間常數卻非常大，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載情況，對短時結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.由于連接芯片結到NTC的路徑RthJNTC上有溫度差，熱敏電阻NTC的溫度TNTC會比結溫TJ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，這曲線可以很好幫助你利用NTC在穩態條件下來監測芯片溫度。具體方法參考《論文|如何通過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，采用可調風速的風冷散熱器。

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即固態技術協會在1973年就發布了一份出版物《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。