/ 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。

芯片表面溫度

芯片溫度是一個很復雜的問題，從芯片表面測量溫度，可以發現單個芯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余量。

這是一個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1的位置與光標2位置溫度差高達5度。

芯片內部溫度

芯片內部溫度更復雜，比較好的辦法是通過仿真來研究，從芯片橫截面看，仿真結果顯示在短路瞬態，100微米量級的芯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，芯片正面發射極溫度77度，芯片集電極側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，電流絲溫度最高可達367度。

由于結溫如此復雜，又是熱設計的終極目標，所以我們需要了解工作結溫和結溫的定義和各種測量方法。

工作結溫Tvj op

在IGBT的數據手冊中，會給出允許開關的結溫，簡稱為工作結溫Tvj op。

摘自FF600R12ME4_B72數據手冊

要講清楚工作結溫Tvj op，要分三步，首先什么是結溫、虛擬結溫Tvj，什么是TvjMAX，然后才能定義什么是工作結溫Tvj op。

虛擬結溫Tvj：

結溫Tvj是半導體芯片結區的溫度。該結溫用于確定用于進一步計算的結到外殼的熱阻RthJC。由于它與模塊中某個芯片的確切結溫并不精確匹配，因此更正確的說法是“虛擬結溫”。

最高虛擬結溫Tvjmax

摘自FF600R12ME4_B72數據手冊

數據手冊中的最高工作結溫Tvjmax是用于確定連續導通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ICDC。

對于開關工況應用，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芯片和模塊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于Tvjmax的值。

工作結溫Tvj op：

工作溫度Tvj op規定了器件的允許工作溫度范圍（最小值和最大值）。

對于開關應用，相關的設計限制是工作溫度Tvj op。在計算正常負載和過載（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(Eon)和關斷(Eoff)的損耗來計算，以保證芯片在允許的工作溫度范圍內。

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Tvj 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數據手冊上的給定值，對結溫的理解，仿真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，并保證系統的可靠性。

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：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）》 在測量熱阻時是采用小電流的集電極－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，知道芯片溫度很重要，這就有了測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，涂層表面的發射率大于0.95。哪怕這樣也會改變芯片的熱特性，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塊芯片上每個點的溫度，你會發現，芯片上的并不一致，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，不同芯片尺寸和封裝有較大差異）。

那么，芯片的虛擬結溫怎么確定呢？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，模塊需要去膠，涂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。

熱點偶法：

測模塊的芯片溫度還可以用熱電偶，這需要做專門的測試樣品，樣品制作過程中，在芯片表面安裝熱電偶，然后灌膠。這種模塊可以在系統中正常運行，但會給測溫儀帶來一定的干擾。

芯片上傳感器:

最好測芯片溫度的方式是設計帶溫度傳感器的芯片，如CoolMOS S7T 600V系列MOSFET，目標應用是SSR，SSCB和圖騰柱PFC中的慢管。

溫度傳感器是多個二極管串聯，由于這些二極管的線性溫度特性，只要使用電流源對它們進行偏置，它們的正向電壓(VF)就會直接與這些二極管的特定溫度相關。

摘自IPDQ60T022S7數據手冊

溫度感應二極管并未位于芯片有源區的中心，真正熱點與溫度感應二極管之間仍有一段距離。因此，設計人員需要考慮熱點和溫度傳感器之間溫差。

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

由于存在熱阻抗，溫差ΔT與時間有關，這意味著較短的熱脈沖與較長的熱脈沖相比，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3）找到多種產品的熱點和溫度傳感器之間的ΔT與單位功率的關系圖，下圖（原圖17）是其中之一。

總結

測芯片溫度有多種方案，適用與不同的測試目的。

熱敏參數法適用于功率器件產品開發，近年高校也做了很多研究工作，目標是在系統中實時測量結溫，預測模塊壽命。

熱電偶和紅外成像儀測芯片表面溫度，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。

芯片上傳感器主要應用與系統中實時測量結溫，是系統保護的有效手段，由于二極管組占用晶圓面積，增加芯片成本，但通過高功率密度設計，可以有效降低系統成本。