【導(dǎo)讀】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。
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)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。
芯片表面溫度
芯片溫度是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，從芯片表面測(cè)量溫度，可以發(fā)現(xiàn)單個(gè)芯片溫度也是不均勻的。所以工程上設(shè)計(jì)一般可以取加權(quán)平均值或給出設(shè)計(jì)余量。
這是一個(gè)MOSFET單管中的芯片，直觀可以看出芯片表面溫度是不一致的，光標(biāo)1的位置與光標(biāo)2位置溫度差高達(dá)5度。
芯片內(nèi)部溫度
芯片內(nèi)部溫度更復(fù)雜，比較好的辦法是通過(guò)仿真來(lái)研究，從芯片橫截面看，仿真結(jié)果顯示在短路瞬態(tài)，100微米量級(jí)的芯片截面有很大的溫度梯度。
1200V IGBT在400V時(shí)短路，起始溫度是26度，4.5us時(shí)，芯片正面發(fā)射極溫度77度，芯片集電極側(cè)167度，由于短路芯片里的電流可能呈絲狀，使熱量集中于一點(diǎn)，電流絲溫度最高可達(dá)367度。
由于結(jié)溫如此復(fù)雜，又是熱設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)，所以我們需要了解工作結(jié)溫和結(jié)溫的定義和各種測(cè)量方法。
工作結(jié)溫Tvj op
在IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，會(huì)給出允許開(kāi)關(guān)的結(jié)溫，簡(jiǎn)稱(chēng)為工作結(jié)溫Tvj op。
要講清楚工作結(jié)溫Tvj op，要分三步，首先什么是結(jié)溫、虛擬結(jié)溫Tvj，什么是TvjMAX，然后才能定義什么是工作結(jié)溫Tvj op。
虛擬結(jié)溫Tvj：
結(jié)溫Tvj是半導(dǎo)體芯片結(jié)區(qū)的溫度。該結(jié)溫用于確定用于進(jìn)一步計(jì)算的結(jié)到外殼的熱阻RthJC。由于它與模塊中某個(gè)芯片的確切結(jié)溫并不精確匹配，因此更正確的說(shuō)法是“虛擬結(jié)溫”。
最高虛擬結(jié)溫Tvjmax
數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最高工作結(jié)溫Tvjmax是用于確定連續(xù)導(dǎo)通IGBT（即靜態(tài)工作）的最大允許功率耗散和定義連續(xù)集電極直流電流ICDC。
對(duì)于開(kāi)關(guān)工況應(yīng)用，包括一次性關(guān)斷的短暫過(guò)程，必須確保器件在高動(dòng)態(tài)應(yīng)力、短時(shí)瞬態(tài)溫度以及工作時(shí)芯片和模塊溫度不均勻的情況下安全運(yùn)行。因此，在動(dòng)態(tài)工作下計(jì)算出的最大虛擬結(jié)溫應(yīng)限制在低于Tvjmax的值。
工作結(jié)溫Tvj op：
工作溫度Tvj op規(guī)定了器件的允許工作溫度范圍（最小值和最大值）。
對(duì)于開(kāi)關(guān)應(yīng)用，相關(guān)的設(shè)計(jì)限制是工作溫度Tvj op。在計(jì)算正常負(fù)載和過(guò)載（也包括短時(shí)負(fù)載）時(shí)的電流能力時(shí)，應(yīng)使用平均導(dǎo)通損耗、開(kāi)通(Eon)和關(guān)斷(Eoff)的損耗來(lái)計(jì)算，以保證芯片在允許的工作溫度范圍內(nèi)。
設(shè)計(jì)中可以不用峰值功率損耗，在“開(kāi)通”或“關(guān)斷”過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)溫升。它們已在定義工作溫度Tvj op中考慮了)2）。
功率半導(dǎo)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是最高工作結(jié)溫不超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的給定值，對(duì)結(jié)溫的理解，仿真和測(cè)量在功率半導(dǎo)體應(yīng)用非常重要，是完成精確熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，目標(biāo)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。
結(jié)溫的測(cè)量
熱敏參數(shù)法：
在器件定型試驗(yàn)中，一般會(huì)通過(guò)測(cè)量電參數(shù)隨溫度變化來(lái)測(cè)結(jié)溫，在GB/T 29332-2012《半導(dǎo)體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）》 在測(cè)量熱阻時(shí)是采用小電流的集電極－發(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)或柵極－發(fā)射極閾值電壓作為熱敏參數(shù)間接測(cè)量結(jié)溫的。
紅外測(cè)溫法：
熱敏參數(shù)法不是很方便，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，知道芯片溫度很重要，這就有了測(cè)芯片表面溫度的方法，JEDEC出版物JEP138 User guidelines for IR thermal imaging determination of die temperature.這種方法主要用于系統(tǒng)定型設(shè)計(jì)，對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，參考《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》。
紅外相機(jī)測(cè)溫需要做發(fā)射率矯正，模塊需要去膠，涂黑，JEP138建議了黑色圖層厚度控制在25-50um，涂層表面的發(fā)射率大于0.95。哪怕這樣也會(huì)改變芯片的熱特性，均勻的高發(fā)射率層可將峰值結(jié)溫降低多達(dá)2%(°K)。
用紅外相機(jī)，你可以方便的讀取模塊芯片上每個(gè)點(diǎn)的溫度，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，芯片上的并不一致，中心熱，邊緣溫度低，下圖的例子發(fā)現(xiàn)兩者要差15度左右（僅是個(gè)測(cè)試案例，不同芯片尺寸和封裝有較大差異）。
那么，芯片的虛擬結(jié)溫怎么確定呢？英飛凌提出的讀取方法是取加權(quán)平均，中心位置權(quán)重為邊緣的兩倍。
紅外測(cè)量方法，模塊需要去膠，涂黑這會(huì)降低器件的耐壓，這在實(shí)際系統(tǒng)高壓運(yùn)行時(shí)要特別注意，有電壓擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。
熱電偶法：
測(cè)模塊的芯片溫度還可以用熱電偶，這需要做專(zhuān)門(mén)的測(cè)試樣品，樣品制作過(guò)程中，在芯片表面安裝熱電偶，然后灌膠。這種模塊可以在系統(tǒng)中正常運(yùn)行，但會(huì)給測(cè)溫儀帶來(lái)一定的干擾。
芯片上傳感器:
最好測(cè)芯片溫度的方式是設(shè)計(jì)帶溫度傳感器的芯片，如CoolMOS? S7T 600V系列MOSFET，目標(biāo)應(yīng)用是SSR，SSCB和圖騰柱PFC中的慢管。
溫度傳感器是多個(gè)二極管串聯(lián)，由于這些二極管的線(xiàn)性溫度特性，只要使用電流源對(duì)它們進(jìn)行偏置，它們的正向電壓(VF)就會(huì)直接與這些二極管的特定溫度相關(guān)。
溫度感應(yīng)二極管并未位于芯片有源區(qū)的中心，真正熱點(diǎn)與溫度感應(yīng)二極管之間仍有一段距離。因此，設(shè)計(jì)人員需要考慮熱點(diǎn)和溫度傳感器之間溫差。
不同封裝溫差不一樣，靜態(tài)的時(shí)候TOLL封裝約5度，而QDPAK是8度。
由于存在熱阻抗，溫差ΔT與時(shí)間有關(guān)，這意味著較短的熱脈沖與較長(zhǎng)的熱脈沖相比，ΔT更高，參考下表（原表1）。不同芯片尺寸的ΔT不同，可以在參考文獻(xiàn)3）找到多種產(chǎn)品的熱點(diǎn)和溫度傳感器之間的ΔT與單位功率的關(guān)系圖，下圖（原圖17）是其中之一。
總結(jié)
測(cè)芯片溫度有多種方案，適用與不同的測(cè)試目的。
熱敏參數(shù)法適用于功率器件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，近年高校也做了很多研究工作，目標(biāo)是在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)溫，預(yù)測(cè)模塊壽命。
熱電偶和紅外成像儀測(cè)芯片表面溫度，適用的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中系統(tǒng)熱阻定標(biāo)，這是高密度功率系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的有效手段。
芯片上傳感器主要應(yīng)用與系統(tǒng)中實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)溫，是系統(tǒng)保護(hù)的有效手段，由于二極管組占用晶圓面積，增加芯片成本，但通過(guò)高功率密度設(shè)計(jì)，可以有效降低系統(tǒng)成本。
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