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/ 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聯(lián)系實際，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。

功率半導體模塊殼溫和散熱器溫度

功率模塊的散熱通路由芯片、DCB、銅基板、散熱器和焊接層、導熱脂層串聯(lián)構成的。各層都有相應的熱阻，這些熱阻是串聯(lián)的，總熱阻等于各熱阻之和，這是因為熱量在傳遞過程中，需要依次克服每一個熱阻，所以總熱阻就是各熱阻的累積。

各芯片在導熱通路上有多個導熱層，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設計的具體需要定義了殼溫Tc和散熱器溫度Th，以及測試方法。

在損耗和熱仿真時，基本的仿真總是針對單個IGBT或單個二極管，所以需要知道的殼溫是指芯片正下方的溫度，散熱器溫度也是指芯片正下方的溫度。英飛凌數(shù)據(jù)手冊就是這樣定義的。

按照IEC 60747-15，具體測試方法為：

Tc：殼溫是通過功率開關（芯片）下面穿透散熱器以及熱界面材料的小孔測量到的管殼溫度Tc。

Ts（Th）：散熱器溫度是通過止于散熱器表面下方2mm±1mm（型式試驗特征，應予規(guī)定）的規(guī)定的盲孔測量。

Tsx：散熱器溫度也可以取自距功率開關（芯片）最近的最熱可觸及點，但這殼溫與英飛凌數(shù)據(jù)手冊上的定義和測量方法不一致，這樣的管殼溫度可以作為設計也測量參考，需要的化，可以通過測量定標，建立與結溫的函數(shù)關系。

為了測量Tc打了穿透散熱器以及熱界面材料的小孔，插入傳感器會影響模塊殼到散熱器的熱傳遞，好在有基板的模塊，熱會在基板上橫向傳導擴散，孔和探頭對測量誤差可以控制在5%水平。

注：在IEC 60747-15中的Rth(j-s),Rth(c-s)與本文中Rthjh和RthCH一致。

對于沒有基板的模塊，如英飛凌的Easy系列，DCB下表面的銅層很薄，熱的橫向傳導非常有限，熱傳遞的有效面積與芯片尺寸相當，打孔測殼溫對模塊散熱影響就比較大，測量改變了工況，這樣的測量不宜提倡。

因此，對于這種沒有基板的模塊，熱阻抗的參考溫度為Ts（Th）而不再用TC，就是說直接定義RthJH，在數(shù)據(jù)手冊里找不到RthJC和RthCH。

模塊殼溫的工程測量方法：

在芯片底部測殼溫是型式試驗方法，用于功率平臺開發(fā)，而實際應用中，功率模塊會自帶NTC，負溫度系數(shù)熱敏電阻作為測溫元件。

NTC安裝在硅芯片的附近，以得到一個比較緊密的熱耦合。根據(jù)模塊的不同，NTC或者與硅芯片安裝在同一塊DCB上，或者安裝在單獨的基片上。

NTC測量值不是數(shù)據(jù)手冊中定義熱阻的殼溫，需要按照經(jīng)驗進行修正，或進行散熱定標。

熱量可能傳導路徑的等效熱路：

經(jīng)驗法：

NTC可用于穩(wěn)態(tài)過熱保護，其時間常數(shù)大約是2秒。在數(shù)據(jù)手冊上的瞬態(tài)熱阻曲線上可以讀到芯片的熱時間常數(shù)，0.2秒左右，但是整個散熱系統(tǒng)的時間常數(shù)卻非常大，譬如在20秒左右，因此NTC可以檢測較緩慢溫度變化和緩慢過載情況，對短時結溫過熱保護是無能為力的，更不能用于短路保護。

我們可以有兩個簡單的說法：

1.由于連接芯片結到NTC的路徑RthJNTC上有溫度差，熱敏電阻NTC的溫度TNTC會比結溫TJ來得低。

2.但NTC的溫度會比散熱器上測量的溫度來得高。由經(jīng)驗可知，對于電力電子設備，散熱器的溫度和NTC的溫度的差值約等于10K的溫度左右。