功率器件热设计基础（三）——功率半导体壳温和散热器温度定义和测试方法

前言

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只有掌握功率半导体的热设计基础知识，才能完成精确热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，并保证系统的可靠性。

功率器件热设计基础系列文章会联系实际，比较系统地讲解热设计基础知识，相关标准和工程测量方法。

功率半导体模块壳温和散热器温度

功率模块的散热通路由芯片、DCB、铜基板、散热器和焊接层、导热脂层串联构成的。各层都有相应的热阻，这些热阻是串联的，总热阻等于各热阻之和，这是因为热量在传递过程中，需要依次克服每一个热阻，所以总热阻就是各热阻的累积。


各芯片在导热通路上有多个导热层，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照设计的具体需要定义了壳温Tc和散热器温度Th，以及测试方法。

在损耗和热仿真时，基本的仿真总是针对单个IGBT或单个二极管，所以需要知道的壳温是指芯片正下方的温度，散热器温度也是指芯片正下方的温度。英飞凌数据手册就是这样定义的。

按照IEC 60747-15，具体测试方法为：

Tc：壳温是通过功率开关（芯片）下面穿透散热器以及热界面材料的小孔测量到的管壳温度Tc。

Ts（Th）：散热器温度是通过止于散热器表面下方2mm±1mm（型式试验特征，应予规定）的规定的盲孔测量。

Tsx：散热器温度也可以取自距功率开关（芯片）最近的最热可触及点，但这壳温与英飞凌数据手册上的定义和测量方法不一致，这样的管壳温度可以作为设计也测量参考，需要的化，可以通过测量定标，建立与结温的函数关系。


为了测量Tc打了穿透散热器以及热界面材料的小孔，插入传感器会影响模块壳到散热器的热传递，好在有基板的模块，热会在基板上横向传导扩散，孔和探头对测量误差可以控制在5%水平。

注：在IEC 60747-15中的R_th(j-s),R_th(c-s)与本文中R_thjh和R_thCH一致。


对于没有基板的模块，如英飞凌的Easy系列，DCB下表面的铜层很薄，热的横向传导非常有限，热传递的有效面积与芯片尺寸相当，打孔测壳温对模块散热影响就比较大，测量改变了工况，这样的测量不宜提倡。


因此，对于这种没有基板的模块，热阻抗的参考温度为Ts（Th）而不再用TC，就是说直接定义RthJH，在数据手册里找不到RthJC和RthCH。


模块壳温的工程测量方法：

在芯片底部测壳温是型式试验方法，用于功率平台开发，而实际应用中，功率模块会自带NTC，负温度系数热敏电阻作为测温元件。

NTC安装在硅芯片的附近，以得到一个比较紧密的热耦合。根据模块的不同，NTC或者与硅芯片安装在同一块DCB上，或者安装在单独的基片上。


NTC测量值不是数据手册中定义热阻的壳温，需要按照经验进行修正，或进行散热定标。

热量可能传导路径的等效热路：


经验法：

NTC可用于稳态过热保护，其时间常数大约是2秒。在数据手册上的瞬态热阻曲线上可以读到芯片的热时间常数，0.2秒左右，但是整个散热系统的时间常数却非常大，譬如在20秒左右，因此NTC可以检测较缓慢温度变化和缓慢过载情况，对短时结温过热保护是无能为力的，更不能用于短路保护。

我们可以有两个简单的说法：

1.由于连接芯片结到NTC的路径RthJNTC上有温度差，热敏电阻NTC的温度TNTC会比结温TJ来得低。

2.但NTC的温度会比散热器上测量的温度来得高。由经验可知，对于电力电子设备，散热器的温度和NTC的温度的差值约等于10K的温度左右。


这方法仅用于估算，建议用下面的定标法和热仿真得到更精确的数值。

定标法：

对于结构设计完成的功率系统，我们可以测得芯片表面温度和在特定的散热条件下的Tvj~TNTC曲线，这曲线可以很好帮助你利用NTC在稳态条件下来监测芯片温度。具体方法参考《论文|如何通过IGBT模块内置的NTC电阻测量芯片结温》。

下图就是摘自上述微信文章，被测器件是PrimePACK™模块FF1000R17IE4 1000A/1700V，采用可调风速的风冷散热器。

芯片的温度用红外热成像仪测量，数据手册所定义的壳温用热电偶在芯片下方测量。NTC电阻值通过数据采集器记录，并且根据IGBT模块数据手册中的NTC阻值-温度曲线将电阻值转换成对应的温度值。


单管管脚温度测量：

功率半导体单管，例如TO-247-3封装，其中心管脚是框架的一部分，在系统设计中往往测中心管脚温度作为壳温的参考，为此JEDEC即固态技术协会在1973年就发布了一份出版物《测量晶体管引线温度的推荐做法》，目前有效版本是2004年的JEP84A 。


JEP84A推荐做法包括：

1.建议的引线温度测量点为距离外壳1.5毫米处或制造商指定的位置，如图绿点位置；

2.热电偶测量时，必须注意热电偶与引线表面的牢固接触，建议采用焊接方式；

3.热电偶球的横截面积不得大于引线横截面积的二分之一，由于图示封装b3=2.87mm，所以热电偶不要超过1.4mm。