功率器件热设计根底（四）——功率半导体芯片

/ 媒介 /本文援用地点：功率半导体热计划是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基本，只有控制功率半导体的热计划基本常识，才干实现准确热计划，进步功率器件的应用率，下降体系本钱，并保障体系的牢靠性。功率器件热计划基本系列文章会比拟体系地讲授热计划基本常识，相干尺度跟工程丈量方式。芯片名义温度芯片温度是一个很庞杂的成绩，从芯片名义丈量温度，能够发明单个芯片温度也是不平均的。以是工程上计划个别能够取加权均匀值或给出计划余量。这是一个MOSFET单管中的芯片，直不雅能够看出芯片名义温度是纷歧致的，光标1的地位与光标2地位温度差高达5度。芯片外部温度芯片外部温度更庞杂，比拟好的措施是经由过程仿真来研讨，从芯片横截面看，仿真成果表现在短路瞬态，100微米量级的芯片截面有很年夜的温度梯度。1200V IGBT在400V时短路，肇端温度是26度，4.5us时，芯片正面发射极温度77度，芯片集电极侧167度，因为短路芯片里的电流可能呈丝状，使热量会合于一点，电流丝温度最高可达367度。因为结温如斯庞杂，又是热计划的最终目的，以是咱们须要懂得任务结平和结温的界说跟种种丈量方式。任务结温T vj op在IGBT的数据手册中，会给出容许开关的结温，简称为任务结温T vj op 。摘自FF600R12ME4_B72数据手册要讲明白任务结温T vj op ，要分三步，起首什么是结温、虚构结温T vj ，什么是T vjMAX ，而后才干界说什么是任务结温T vj op 。虚构结温T vj：结温T vj 是半导体芯片结区的温度。该结温用于断定用于进一步盘算的结到外壳的热阻R thJC 。因为它与模块中某个芯片确实切结温并不准确婚配，因而改正确的说法是“虚构结温”。最高虚构结温T vjmax摘自FF600R12ME4_B72数据手册数据手册中的最高任务结温T vjmax 是用于断定持续导通IGBT（即静态任务）的最年夜容许功率耗散跟界说持续集电极直流电流I CDC 。对开关工况利用，包含一次性关断的长久进程，必需确保器件在高静态应力、短时瞬态温度以及任务时芯片跟模块温度不平均的情形下保险运转。因而，在静态任务下盘算出的最年夜虚构结温应限度在低于T vjmax 的值。任务结温T vj op ：任务温度T vj op 划定了器件的容许任务温度范畴（最小值跟最年夜值）。对开关利用，相干的计划限度是任务温度T vj op 。在盘算畸形负载跟过载（也包含短时负载）时的电流才能时，应应用均匀导通消耗、开明(E on )跟关断(E off )的消耗来盘算，以保障芯片在容许的任务温度范畴内。计划中能够不必峰值功率消耗，在“开明”或“关断”进程中发生的瞬态温升。它们已在界说任务温度T vj op 中斟酌了) 2） 。功率半导系统统计划目的是最高任务结温不超越数据手册上的给定值，对结温的懂得，仿真跟丈量在功率半导体利用十分主要，是实现准确热计划的基本，目的进步功率器件的应用率，下降体系本钱，并保障体系的牢靠性。结温的丈量热敏参数法：在器件定型实验中，个别会经由过程丈量电参数随温度变更来测结温，在GB/T 29332-2012《半导体器件分破器件第9局部：绝缘栅双极晶体管（IGBT）》 在丈量热阻时是采取小电流的集电极－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丈量结温的。红外测温法：热敏参数法不是很便利，但在体系计划中，晓得芯片温度很主要，这就有了测芯片名义温度的方式，JEDEC出书物JEP138 User guidelines for IR thermal imaging determination of die temperature.这种方式重要用于体系定型计划，对散热体系停止定标，参考 《功率器件热计划基本（三）——功率半导体壳平和散热器温度界说跟测试方式》 。红外相机测温须要做发射率改正，模块须要去胶，涂黑，JEP138倡议了玄色图层厚度把持在25-50um，涂层名义的发射率年夜于0.95。哪怕如许也会转变芯片的热特征，平均的高发射率层可将峰值结温下降多达2%(°K)。用红外相机，你能够便利的读取模块芯片上每个点的温度，你会发明，芯片上的并纷歧致，核心热，边沿温度低，下图的例子发明两者要差15度阁下（仅是个测试案例，差别芯片尺寸跟封装有较年夜差别）。那么，芯片的虚构结温怎样断定呢？提出的读取方式是取加权均匀，核心地位权重为边沿的两倍。红外丈量方式，模块须要去胶，涂黑这会下降器件的耐压，这在现实体系高压运转时要特殊留神，有电压击穿的危险。热电偶法：测模块的芯片温度还能够用热电偶，这须要做专门的测试样品，样品制造进程中，在芯片名义装置热电偶，而后灌胶。这种模块能够在体系中畸形运转，但会给测温仪带来必定的烦扰。芯片上传感器:最好测芯片温度的方法是计划带温度传感器的芯片，如CoolMOS™ S7T 600V系列MOSFET，目的利用是SSR，SSCB跟图腾柱PFC中的慢管。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特征，只有应用电流源对它们停止偏置，它们的正向电压(V F )就会直接与这些二极管的特定温度相干。摘自IPDQ60T022S7数据手册温度感到二极管并未位于芯片有源区的核心，真正热门与温度感到二极管之间仍有一段间隔。因而，计划职员须要斟酌热门跟温度传感器之间温差。差别封装温差纷歧样，静态的时间TOLL封装约5度，而QDPAK是8度。TOLLQDPAK因为存在热阻抗，温差ΔT与时光有关，这象征着较短的热脉冲与较长的热脉冲比拟，ΔT更高，参考下表（原表1）。差别芯片尺寸的ΔT差别，能够在参考文献 3） 找到多种产物的热门跟温度传感器之间的ΔT与单元功率的关联图，下图（原图17）是此中之一。总结测芯片温度有多种计划，实用与差别的测试目标。热敏参数法 实用于功率器件产物开辟，比年高校也做了良多研讨任务，目的是在体系中及时丈量结温，猜测模块寿命。热电偶跟红外成像仪 测芯片名义温度，实用的体系开辟中体系热阻定标，这是高密度功率体系开辟的无效手腕。芯片上传感器 重要利用与体系中及时丈量结温，是体系维护的无效手腕，因为二极管组占用晶圆面积，增添芯片本钱，但经由过程高功率密度计划，能够无效下降体系本钱。