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2024-12-27功率器件熱設計基礎（三）
功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法
來源: 英飛凌工業半導體
/ 前言 /
功率半導體熱設計是實現 IGBT、碳化矽 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，並保證系統的可靠性。
功率器件熱設計基礎系列文章會聯繫實際，比較系統地講解熱設計基礎知識
功率半導體模組殼溫和散熱器溫度
功率模組的散熱通路由晶片、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，總熱阻等於各熱阻之和，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。
各晶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。
在損耗和熱模擬時，基本的模擬總是針對單個 IGBT 或單個二極體，所以需要知道的殼溫是指晶片正下方的溫度，散熱器溫度也是指晶片正下方的溫度。英飛凌資料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（晶片）下面穿透散熱器以及熱介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（型式試驗特徵，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（晶片）最近的最熱可觸及點，但這殼溫與英飛凌資料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係。
為了測量 Tc 打了穿透散熱器以及熱介面材料的小孔，插入感測器會影響模組殼到散熱器的熱傳遞，好在有基板的模組，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% 水準。
注：在 IEC 60747-15 中 的 Rth(j-s),Rth(c-s) 與本文中 Rthjh 和 RthCH 一致。
對於沒有基板的模組，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晶片尺寸相當，打孔測殼溫對模組散熱影響就比較大，測量改變了工況，這樣的測量不宜提倡。
因此，對於這種沒有基板的模組，熱阻抗的參考溫度為 Ts（Th）而不再用 TC，就是說直接定義 RthJH，在資料手冊裡找不到 RthJC 和 RthCH。
模組殼溫的工程測量方法：
在晶片底部測殼溫是型式試驗方法，用於功率平臺開發，而實際應用中，功率模組會自帶 NTC，負溫度係數熱敏電阻作為測溫元件。
NTC 安裝在矽晶片的附近，以得到一個比較緊密的熱耦合。根據模組的不同，NTC 或者與矽晶片安裝在同一塊 DCB 上，或者安裝在單獨的基片上。
NTC 測量值不是資料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 可用於穩態過熱保護，其時間常數大約是 2 秒。在資料手冊上的瞬態熱阻曲線上可以讀到晶片的熱時間常數，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超載情況，對短時結溫過熱保護是無能為力的，更不能用於短路保護。
我們可以有兩個簡單的說法：
1. 由於連接晶片結到 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，對於電力電子設備，散熱器的溫度和 NTC 的溫度的差值約等於 10K 的溫度左右。
這方法僅用於估算，建議用下面的定標法和熱模擬得到更精確的數值。
定標法：
對於結構設計完成的功率系統，我們可以測得晶片表面溫度和在特定的散熱條件下的 Tvj~TNTC 曲線，這曲線可以很好説明你利用 NTC 在穩態條件下來監測晶片溫度。具體方法參考《論文|如何通過IGBT模組內置的NTC電阻測量晶片結溫》。
下圖就是摘自上述微信文章，被測器件是 PrimePACK™ 模組 FF1000R17IE4 1000A/1700V，採用可調風速的風冷散熱器。
晶片的溫度用紅外熱成像儀測量，資料手冊所定義的殼溫用熱電偶在晶片下方測量。NTC 電阻值通過資料獲取器記錄，並且根據 IGBT 模組資料手冊中的 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 年就發佈了一份出版物《測量電晶體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 毫米處或製造商指定的位置，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，建議採用焊接方式；
3. 熱電偶球的橫截面積不得大於引線橫截面積的二分之一，由於圖示封裝 b3=2.87mm，所以熱電偶不要超過 1.4mm。
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