功率器件熱設計基礎（四）——功率半導體芯片溫度和測試方法

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現(xiàn)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(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(tài)，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(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)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(shù)據(jù)手冊

數(shù)據(jù)手冊中的最高工作結溫Tvjmax是用于確定連續(xù)導通IGBT（即靜態(tài)工作）的最大允許功率耗散和定義連續(xù)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(tài)應力、短時瞬態(tài)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(tài)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(guī)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(tài)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(tǒng)設計目標是最高工作結溫不超過數(shù)據(jù)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(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

結溫的測量

熱敏參數(shù)法：

在器件定型試驗中，一般會通過測量電參數(shù)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(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)或柵極－發(fā)射極閾值電壓作為熱敏參數(shù)間接測量結溫的。

紅外測溫法：

熱敏參數(shù)法不是很方便，但在系統(tǒng)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(tǒng)定型設計，對散熱系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)，芯片上的并不一致，中心熱，邊緣溫度低，下圖的例子發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(lián)，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(shù)據(jù)手冊

溫度感應二極管并未位于芯片有源區(qū)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(tài)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(shù)法適用于功率器件產品開發(fā)，近年高校也做了很多研究工作，目標是在系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)中系統(tǒng)熱阻定標，這是高密度功率系統(tǒng)開發(fā)的有效手段。

芯片上傳感器主要應用與系統(tǒng)中實時測量結溫，是系統(tǒng)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(tǒng)成本。