功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法

作者：陈子颖

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。

芯片表面温度

芯片温度是一个很复杂的问题，从芯片表面测量温度，可以发现单个芯片温度也是不均匀的。所以工程上设计一般可以取加权平均值或给出设计余量。


这是一个MOSFET单管中的芯片，直观可以看出芯片表面温度是不一致的，光标1的位置与光标2位置温度差高达5度。

芯片内部温度

芯片内部温度更复杂，比较好的办法是通过仿真来研究，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，芯片正面发射极温度77度，芯片集电极侧167度，由于短路芯片里的电流可能呈丝状，使热量集中于一点，电流丝温度最高可达367度。


由于结温如此复杂，又是热设计的终极目标，所以我们需要了解工作结温和结温的定义和各种测量方法。

工作结温T_{vj op}

在IGBT的数据手册中，会给出允许开关的结温，简称为工作结温Tvj op。


要讲清楚工作结温T_{vj op}，要分三步，首先什么是结温、虚拟结温T_vj，什么是T_vjMAX，然后才能定义什么是工作结温T_{vj op}。

虚拟结温T_vj：

结温T_vj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R_thJC。由于它与模块中某个芯片的确切结温并不精确匹配，因此更正确的说法是“虚拟结温”。

最高虚拟结温T_vjmax


数据手册中的最高工作结温T_vjmax是用于确定连续导通IGBT（即静态工作）的最大允许功率耗散和定义连续集电极直流电流I_CDC。

对于开关工况应用，包括一次性关断的短暂过程，必须确保器件在高动态应力、短时瞬态温度以及工作时芯片和模块温度不均匀的情况下安全运行。因此，在动态工作下计算出的最大虚拟结温应限制在低于T_vjmax的值。

工作结温T_{vj op}：

工作温度T_{vj op}规定了器件的允许工作温度范围（最小值和最大值）。

对于开关应用，相关的设计限制是工作温度T_{vj op}。在计算正常负载和过载（也包括短时负载）时的电流能力时，应使用平均导通损耗、开通(Eon)和关断(Eoff)的损耗来计算，以保证芯片在允许的工作温度范围内。

设计中可以不用峰值功率损耗，在“开通”或“关断”过程中产生的瞬态温升。它们已在定义工作温度T_{vj op}中考虑了)2）。

功率半导体系统设计目标是最高工作结温不超过数据手册上的给定值，对结温的理解，仿真和测量在功率半导体应用非常重要，是完成精确热设计的基础，目标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。

结温的测量

热敏参数法：

在器件定型试验中，一般会通过测量电参数随温度变化来测结温，在GB/T 29332-2012《半导体器件分立器件第9部分：绝缘栅双极晶体管（IGBT）》 在测量热阻时是采用小电流的集电极－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间接测量结温的。

红外测温法：

热敏参数法不是很方便，但在系统设计中，知道芯片温度很重要，这就有了测芯片表面温度的方法，JEDEC出版物JEP138 User guidelines for IR thermal imaging determination of die temperature.这种方法主要用于系统定型设计，对散热系统进行定标，参考《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》。

红外相机测温需要做发射率矫正，模块需要去胶，涂黑，JEP138建议了黑色图层厚度控制在25-50um，涂层表面的发射率大于0.95。哪怕这样也会改变芯片的热特性，均匀的高发射率层可将峰值结温降低多达2%(°K)。

用红外相机，你可以方便的读取模块芯片上每个点的温度，你会发现，芯片上的并不一致，中心热，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）。


那么，芯片的虚拟结温怎么确定呢？英飞凌提出的读取方法是取加权平均，中心位置权重为边缘的两倍。


红外测量方法，模块需要去胶，涂黑这会降低器件的耐压，这在实际系统高压运行时要特别注意，有电压击穿的风险。

热电偶法：

测模块的芯片温度还可以用热电偶，这需要做专门的测试样品，样品制作过程中，在芯片表面安装热电偶，然后灌胶。这种模块可以在系统中正常运行，但会给测温仪带来一定的干扰。

芯片上传感器:

最好测芯片温度的方式是设计带温度传感器的芯片，如CoolMOS™ S7T 600V系列MOSFET，目标应用是SSR，SSCB和图腾柱PFC中的慢管。


温度传感器是多个二极管串联，由于这些二极管的线性温度特性，只要使用电流源对它们进行偏置，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中心，真正热点与温度感应二极管之间仍有一段距离。因此，设计人员需要考虑热点和温度传感器之间温差。

不同封装温差不一样，静态的时候TOLL封装约5度，而QDPAK是8度。


由于存在热阻抗，温差ΔT与时间有关，这意味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与单位功率的关系图，下图（原图17）是其中之一。



总结

测芯片温度有多种方案，适用与不同的测试目的。

热敏参数法适用于功率器件产品开发，近年高校也做了很多研究工作，目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表面温度，适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段。

芯片上传感器主要应用与系统中实时测量结温，是系统保护的有效手段，由于二极管组占用晶圆面积，增加芯片成本，但通过高功率密度设计，可以有效降低系统成本。