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功率器件热设计基础（四）

编号：1165 分类：技术教程阅读：次时间：2024-12-05

【导读】功率半导体热设计是成功IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只要把握功率半导体的热设计基础常识，才干成功准确热设计，提高功率器件的应用率，降落系统老本，并保障系统的牢靠性。

前言功率半导体热设计是成功IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只要把握功率半导体的热设计基础常识，才干成功准确热设计，提高功率器件的应用率，降落系统老本，并保障系统的牢靠性。功率器件热设计基础系列文章会比拟系统地解说热设计基础常识，相关规范和工程测量方法。芯片外表温度芯片温度是一个很复杂的疑问，从芯片外表测量温度，可以发现单个芯片温度也是不平均的。所以工程上设计普通可以取加权平均值或给出设计余量。功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法这是一个MOSFET单管中的芯片，直观可以看出芯片外表温度是不分歧的，光标1的位置与光标2位置温度差高达5度。芯片外部温度芯片外部温度更复杂，比拟好的方法是经过仿真来钻研，从芯片横截面看，仿真结果显示在短路瞬态，100微米量级的芯片截面有很大的温度梯度。1200V IGBT在400V时短路，起始温度是26度，4.5us时，芯片侧面发射极温度77度，芯片集电极侧167度，因为短路芯片里的电流或者呈丝状，使热量集中于一点，电流丝温度最高可达367度。

功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法因为结温如此复杂，又是热设计的终极指标，所以咱们须要了解上班结平和结温的定义和各种测量方法。上班结温Tvj op在IGBT的数据手册中，会给出准许开关的结温，简称为上班结温Tvj op。功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法要讲分明上班结温Tvj op，要分三步，首先什么是结温、虚构结温Tvj，什么是TvjMAX，而后才干定义什么是上班结温Tvj op。虚构结温Tvj：结温Tvj是半导体芯片结区的温度。该结温用于确定用于进一步计算的结到外壳的热阻RthJC。因为它与模块中某个芯片确实切结温并不准确婚配，因此更正确的说法是“虚构结温”。最高虚构结温Tvjmax 功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法数据手册中的最高上班结温Tvjmax是用于确定延续导通IGBT（即静态上班）的最大准许功率耗散和定义延续集电极直流电流ICDC。关于开关工况运行，包含一次性性关断的持久环节，必定确保器件在高灵活应力、短时瞬态温度以及上班时芯片和模块温度不平均的状况下安保运转。因此，在灵活上班下计算出的最大虚构结温应限度在低于Tvjmax的值。上班结温Tvj op：上班温度Tvj op规则了器件的准许上班温度范畴（最小值和最大值）。关于开关运行，相关的设计限度是上班温度Tvj op。在计算反常负载和过载（也包含短时负载）时的电流才干时，应经常使用平均导通损耗、申请(Eon)和关断(Eoff)的损耗来计算，以保障芯片在准许的上班温度范畴内。设计中可以不用峰值功率损耗，在“申请”或“关断”环节中发生的瞬态温升。它们已在定义上班温度Tvj op中思考了)2）。功率半导体系统设计指标是最高上班结温不超越数据手册上的给定值，对结温的了解，仿真和测量在功率半导体运行十分关键，是成功准确热设计的基础，指标提高功率器件的应用率，降落系统老本，并保障系统的牢靠性。结温的测量热敏参数法：在器件定型实验中，普通会经过测量电参数随温度变动来测结温，在GB/T 29332-2012《半导体器件分立器件第9局部：绝缘栅双极晶体管（IGBT）》在测量热阻时是驳回小电流的集电极－发射极电压作为热敏参数或栅极－发射极阈值电压作为热敏参数直接测量结温的。红外测温法：热敏参数法不是很繁难，但在系统设计中，知道芯片温度很关键，这就有了测芯片外表温度的方法，JEDEC出版物JEP138 User guidelines for IR thermal imaging determination of die temperature.这种方法关键用于系统定型设计，对散热系统启动定标，参考《功率器件热设计基础（三）——功率半导体壳平和散热器温度定义和测试方法》。红外相机测温须要做发射率改过，模块须要去胶，涂黑，JEP138倡导了彩色图层厚度控制在25-50um，涂层外表的发射率大于0.95。哪怕这样也会扭转芯片的热个性，平均的高发射率层可将峰值结温降落多达2%(°K)。用红外相机，你可以繁难的读取模块芯片上每个点的温度，你会发现，芯片上的并不分歧，核心热，边缘温度低，下图的例子发现两者要差15度左右（仅是个测试案例，不同芯片尺寸和封装有较大差异）。功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法那么，芯片的虚构结温怎样确定呢？英飞凌提出的读取方法是取加权平均，核心位置权重为边缘的两倍。红外测量方法，模块须要去胶，涂黑这会降落器件的耐压，这在实践系统低压运转时要特意留意，有电压击穿的危险。热电偶法：测模块的芯片温度还可以用热电偶，这须要做专门的测试样品，样品制造环节中，在芯片外表装置热电偶，而后灌胶。这种模块可以在系统中反常运转，但会给测温仪带来必定的搅扰。芯片上行感器:最好测芯片温度的模式是设计带温度传感器的芯片，如CoolMOS™ S7T 600V系列MOSFET，指标运行是SSR，SSCB和图腾柱PFC中的慢管。功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法温度传感器是多个二极管串联，因为这些二极管的线性温度个性，只需经常使用电流源对它们启动偏置，它们的正向电压(VF)就会直接与这些二极管的特定温度相关。温度感应二极管并未位于芯片有源区的核心，真正热点与温度感应二极管之间仍有一段距离。因此，设计人员须要思考热点和温度传感器之间温差。不同封装温差不一样，静态的时刻TOLL封装约5度，而QDPAK是8度。功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法因为存在热阻抗，温差ΔT与期间无关，这象征着较短的热脉冲与较长的热脉冲相比，ΔT更高，参考下表（原表1）。不同芯片尺寸的ΔT不同，可以在参考文献3）找到多种产品的热点和温度传感器之间的ΔT与单位功率的相关图，下图（原图17）是其中之一。功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法总结测芯片温度有多种打算，实用与不同的测试目的。热敏参数法实用于功率器件产品开发，近年高校也做了很多钻研上班，指标是在系统中实时测量结温，预测模块寿命。热电偶和红外成像仪测芯片外表温度，实用的系统开发中系统热阻定标，这是高密度功率系统开发的有效手腕。芯片上行感器关键运行与系统中实时测量结温，是系统包全的有效手腕，因为二极管组占用晶圆面积，参与芯片老本，但经过高功率密度设计，可以有效降落系统老本。