功率器件熱設計基礎（四）—— 功率半導體晶片溫度和測試方法

原創英飛凌工業半導體

/ 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。

晶片表面溫度

晶片溫度是一個很複雜的問題，從晶片表面測量溫度，可以發現單個晶片溫度也是不均勻的。所以工程上設計一般可以取加權平均值或給出設計餘量。

這是一個 MOSFET 單管中的晶片，直觀可以看出晶片表面溫度是不一致的，游標 1 的位置與游標 2 位置溫度差高達 5 度。

晶片內部溫度

晶片內部溫度更複雜，比較好的辦法是通過模擬來研究，從晶片橫截面看，模擬結果顯示在短路瞬態，100 微米量級的晶片截面有很大的溫度梯度。

1200V IGBT 在 400V 時短路，起始溫度是 26 度，4.5us 時，晶片正面發射極溫度 77 度，晶片集電極側 167 度，由於短路晶片裡的電流可能呈絲狀，使熱量集中於一點，電流絲溫度最高可達 367 度。

由於結溫如此複雜，又是熱設計的終極目標，所以我們需要瞭解工作結溫和結溫的定義和各種測量方法。

工作結溫 T_{vj op}

在 IGBT 的資料手冊中，會給出允許開關的結溫，簡稱為工作結溫 T_{vj op}。

摘自 FF600R12ME4_B72 數據手冊

要講清楚工作結溫 T_{vj op}，要分三步，首先什麼是結溫、虛擬結溫 T_vj，什麼是 T_vjMAX，然後才能定義什麼是工作結溫 T_{vj op}。

虛擬結溫 T_vj：

結溫 T_vj 是半導體晶片結區的溫度。該結溫用於確定用於進一步計算的結到外殼的熱阻 R_thJC。由於它與模組中某個晶片的確切結溫並不精確匹配，因此更正確的說法是“虛擬結溫”。

最高虛擬結溫 T_vjmax

摘自 FF600R12ME4_B72 數據手冊

資料手冊中的最高工作結溫 T_vjmax 是用於確定連續導通 IGBT（即靜態工作）的最大允許功率耗散和定義連續集電極直流電流 I_CDC。

對於開關工況應用，包括一次性關斷的短暫過程，必須確保器件在高動態應力、短時瞬態溫度以及工作時晶片和模組溫度不均勻的情況下安全運行。因此，在動態工作下計算出的最大虛擬結溫應限制在低於 T_vjmax的值。

工作溫度 T_{vj op} 規定了器件的允許工作溫度範圍（最小值和最大值）。

對於開關應用，相關的設計限制是工作溫度 T_{vj op}。在計算正常負載和超載（也包括短時負載）時的電流能力時，應使用平均導通損耗、開通(E_on)和關斷(E_off)的損耗來計算，以保證晶片在允許的工作溫度範圍內。

設計中可以不用峰值功率損耗，在“開通”或“關斷”過程中產生的瞬態溫升。它們已在定義工作溫度 T_{vj op} 中考慮了)^2）。

功率半導體系統設計目標是最高工作結溫不超過資料手冊上的給定值，對結溫的理解，模擬和測量在功率半導體應用非常重要，是完成精確熱設計的基礎，目標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。

結溫的測量

熱敏參數法：

在器件定型試驗中，一般會通過測量電參數隨溫度變化來測結溫，在 GB/T 29332-2012《半導體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極電晶體（IGBT）》 在測量熱阻時是採用小電流的集電極－發射極電壓作為熱敏參數或柵極－發射極閾值電壓作為熱敏參數間接測量結溫的。

紅外測溫法：

熱敏參數法不是很方便，但在系統設計中，知道晶片溫度很重要，這就有了測晶片表面溫度的方法，JEDEC 出版物 JEP138 User guidelines for IR thermal imaging determination of die temperature. 這種方法主要用於系統定型設計，對散熱系統進行定標，參考《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》。

紅外相機測溫需要做發射率矯正，模組需要去膠，塗黑，JEP138 建議了黑色圖層厚度控制在 25-50um，塗層表面的發射率大於 0.95。哪怕這樣也會改變晶片的熱特性，均勻的高發射率層可將峰值結溫降低多達 2%(°K)。

用紅外相機，你可以方便的讀取模組晶片上每個點的溫度，你會發現，晶片上的並不一致，中心熱，邊緣溫度低，下圖的例子發現兩者要差 15 度左右（僅是個測試案例，不同晶片尺寸和封裝有較大差異）。

那麼，晶片的虛擬結溫怎麼確定呢？英飛凌提出的讀取方法是取加權平均，中心位置權重為邊緣的兩倍。

紅外測量方法，模組需要去膠，塗黑這會降低器件的耐壓，這在實際系統高壓運行時要特別注意，有電壓擊穿的風險。

熱電偶法：

測模組的晶片溫度還可以用熱電偶，這需要做專門的測試樣品，樣品製作過程中，在晶片表面安裝熱電偶，然後灌膠。這種模組可以在系統中正常運行，但會給測溫儀帶來一定的干擾。

晶片上感測器:

最好測晶片溫度的方式是設計帶溫度感測器的晶片，如 CoolMOS™ S7T 600V 系列 MOSFET，目標應用是 SSR，SSCB 和圖騰柱 PFC 中的慢管。

溫度感測器是多個二極體串聯，由於這些二極體的線性溫度特性，只要使用電流源對它們進行偏置，它們的正向電壓(V_F)就會直接與這些二極體的特定溫度相關。

摘自 IPDQ60T022S7 數據手冊

溫度感應二極體並未位於晶片有源區的中心，真正熱點與溫度感應二極體之間仍有一段距離。

因此，設計人員需要考慮熱點和溫度感測器之間溫差。

不同封裝溫差不一樣，靜態的時候 TOLL 封裝約 5 度，而 QDPAK 是 8 度。

TOLL

QDPAK

由於存在熱阻抗，溫差 ΔT 與時間有關，這意味著較短的熱脈衝與較長的熱脈衝相比，ΔT 更高，參考下表（原表 1）。不同晶片尺寸的 ΔT 不同，可以在參考文獻 3）找到多種產品的熱點和溫度感測器之間的 ΔT 與單位功率的關係圖，下圖（原圖 17）是其中之一。

總結

測晶片溫度有多種方案，適用與不同的測試目的。

熱敏參數法適用於功率器件產品開發，近年高校也做了很多研究工作，目標是在系統中即時測量結溫，預測模組壽命。

熱電偶和紅外成像儀測晶片表面溫度，適用的系統開發中系統熱阻定標，這是高密度功率系統開發的有效手段。

晶片上感測器主要應用與系統中即時測量結溫，是系統保護的有效手段，由於二極體組佔用晶圓面積，增加晶片成本，但通過高功率密度設計，可以有效降低系統成本。

END

參考資料

1.《IGBT模組：技術、驅動和應用 》機械工業出版社

2. AN2008-01 Definition and use of junction temperature values

3. Application notes Infineon-MOSFET_CoolMOS_600V_S7T_with_integrated_temparature_sensor

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