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  • 2024-12-26

  • 发表了主题帖： 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Rth(j-s),Rth(c-s)与本文中Rthjh和RthCH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。 本文作者陈子颖 ；转载自：英飞凌工业半导体 参考资料 1.《IGBT模块：技术、驱动和应用 》机械工业出版社 2. AN2009-10 电力电子模块内部NTC的使用---关于温度测量的考虑  

  • 2024-12-25

  • 发表了主题帖： 功率器件的热设计基础（二）——热阻的串联和并联

    / 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将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。 第一讲《功率器件热设计基础（一）----功率半导体的热阻》，已经把热阻和电阻联系起来了，那自然会想到热阻也可以通过串联和并联概念来做数值计算。 热阻的串联 首先，我们来看热阻的串联。当两个或多个导热层依次排列，热量依次通过它们时，这些导热层热阻就构成了串联关系。 功率模块的散热通路中结对散热器热阻Rthjh是由芯片、DCB、铜基板、散热器和焊接层、导热脂层串联构成的。串联热阻中，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加。 热阻的并联 当两个或多个热阻（导热层）的两端分别连接在一起，热量可以同时通过它们时，这些热阻就构成了并联关系。譬如在900A 1200V EconoDUAL™3 FF900R12ME7中，900A IGBT就是由3片300A芯片并联实现的，这三个芯片是并联关系。 在并联热阻中，总热阻的倒数等于各热阻倒数之和。这是因为热量在传递过程中，有多条路径可以选择，所以总热阻会小于任何一个单独的热阻。3片 300A芯片并联成900A芯片的热阻是300A的三分之一。 需要注意的是，热阻的串联和并联与电路中的电阻串联和并联在形式上非常相似，但它们的物理意义是不同的。热阻是描述热量传递过程中遇到的阻碍程度的物理量，而电阻则是描述电流传递过程中遇到的阻碍程度的物理量。所以要讨论的附加效应不一样。 综上所述，热阻的串联和并联是热学中的基本概念，掌握它们的计算方法对于理解和分析热量传递过程具有重要意义。 功率模块结构 这是带铜基板功率模块安装在散热器上的结构示意图，功率模块由多个芯片构成。芯片功能、规格，芯片大小厚度可能不同，它们却分享着同一块铜基板和同一块散热器。 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结到壳的热阻Rthjc，壳到散热器的热阻Rthcs及散热器到环境的热阻Rthsa。 下图是带铜基板功率模块散热图，模块安装在散热器上，并把散热器认为是等温面。 注：在IEC 60747-15中的Rth(j-s),Rth(c-s)与本文中RthJH和RthCH一致。 热阻串联： 从图中可以读到，热流依次通过各导热层，所以热阻是串联关系： 譬如，结到散热器的热阻Rthjs就是结到壳的热阻Rthjc及壳到散热器的热阻Rthcs之和。 模块中热阻并联： 在功率模块中，热阻并联有几种形式： 1、IGBT或二极管芯片通过并联实现大电流，这样的并联是相同面积尺寸、相同导热性能的芯片并联，这样，由N个IGBT或二极管芯片并联组成的器件中，结到壳的热阻Rthjc是单个芯片热阻的N分之一。前面提到的FF900R12ME7中，900A芯片组的热阻是每个300A芯片的三分之一。 2、IGBT开关是由IGBT和续流二极管构成，而每一个模块往往有多个IGBT开关构成，对于一个三相桥IGBT功率模块，其由6个IGBT开关构成，每个开关由IGBT+二极管构成。 对于每种封装，模块对散热器的热阻可能会在数据手册中给出，例如：FS450R12KE4 1200V 450 A EconoPACK™+6单元三相桥模块，在给定的安装条件下，RthCH为0.005K/W，由于6个开关（图中arm，在文章中arm称为开关）都安装在铜基板上，所以每个开关分享散热，每个开关的热阻是模块的6倍，就是RthCH_arm=0.03K/W。 数据手册中的每个IGBT壳到散热器的热阻0.05K/W和二极管壳到散热器的热阻0.075K/W，两者并联构成一个开关的热阻。 我们倒过来核算一下，由于一个模块有6个开关，整个模块壳到散热器的热阻RthCH自然就是 0.03K/W除以6，等于0.005K/W。 定义和计算IGBT和二极管壳对散热器的热阻 在热设计中，我们的仿真计算会针对每个IGBT和二极管芯片或芯片组（芯片并联），需要分别知道它们的壳到散热器的热阻RthCH，如果数据手册只给出模块对散热器的热阻，我们需要想办法得到每个IGBT和二极管芯片或芯片组壳到散热器的热阻RthCH。 我们已经知道散热（热阻）的分享原理，三相桥模块的六个开关是平分模块壳到散热器的热阻的，那么我们只要想办法把每个开关的热阻分配给每个IGBT和二极管芯片就可以了。 一种简单有效的方法是按照芯片面积分，而芯片结对壳的热阻很好反映芯片的大小。这样就有了如下两个公式： 芯片越大，分到壳对散热器热阻就低，散热就好。 这里讲的是基本概念和方法，数据手册上的壳对散热器热阻可以通过计算方法获得，如FS450R12KE4 1200V 450A EconoPACK™+6单元三相桥模块（你可以用上述公式验证试试），也可以通过实际测量获得，这会在后续章节详细讲解。 本文作者：陈子颖；转载自：英飞凌工业半导体 参考资料： 《IGBT模块：技术、驱动和应用 》机械工业出版社

  • 2024-12-24

  • 发表了主题帖： 功率器件热设计基础（一）——功率半导体的热阻

    / 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。 散热 功率半导体器件在开通和关断过程中和导通电流时会产生损耗，损失的能量会转化为热能，表现为半导体器件发热，器件的发热会造成器件各点温度的升高。 半导体器件的温度升高，取决于产生热量多少（损耗）和散热效率（散热通路的热阻）。 图：IGBT模块的风冷散热 IGBT模块的风冷散热是典型的散热系统，同时包含了散热的形式三种:热传导、热辐射和热对流。 热传导： 热传导是指固体或液体之间因为温度差而产生热量传递或扩散的现象。热传导的特性可以类比为电气工程中的欧姆定律，如图所示。热能工程中的热源就像电气工程中的电源，热能工程中的受热体就像是电气工程中的负载，电气工程有电阻电容元件，热能工程也有类似属性的元件，称为热阻和热容。 热阻： 热阻是一个在热传导中至关重要的概念，它描述了物质对热传导的阻力，为传热过程中温度差与热流量比值。这一参数在电子元器件设计、散热方案设计等多个领域都扮演着重要角色。 Rth=热阻 P（Pth,C）=功率（热流量） ΔT=温差 这个定义，就与电路中的欧姆定律一致： 不同介质(固体、液体或气体)导热能力不同，以热的形式传输热能的能力定义为导热系数λ。因为导热系数是介质的特性，所以某种材料的导热系数可以看作是一个常数。导热系数又称热导率，单位是W/(m·K)。下表给出了一些材料的λ值。 从上表可以看到功率半导体常用材料的导热系数，如硅的导热系数是100W/(m·K)，而碳化硅的导热系数是490W/(m·K)，所以说碳化硅散热性比硅好很多，且优于金属铜25%，甚至比金属银还好。 热阻与导热系数： 热阻与导热介质的横截面积A成反比，与厚度d成正比，其单位是K/W： 金属铝和铜有很好的导热性，常用于制作功率半导体的散热器，但再好的导体也会引入热阻，而且厚度越大，热阻越高。 有了热阻和导热系数的概念，就可以与产品联系起来了： 实例一：功率模块的结构和热阻 热阻是由材料导热系数，厚度，面积决定的，一个实际带铜基板的IGBT功率模块的热阻分布如下图所示，芯片焊料导热性并不好，导热系数30W/(m·K)左右，但很薄，厚度往往只有0.1mm，所以在功率模块中热阻只占4%。而DCB中的陶瓷导热系数25 W/(m·K)，与焊料差得不多，但厚度有0.38mm，几乎是焊接层的4倍，所以热阻占比高达28%。 我们在定义模块壳到散热器的热阻时，假设导热硅脂的导热系数是1W/(m·K)，厚度为30-100um，在芯片的散热通路中，其占比高达37%，是最大的部分。所以用更好的导热材料缓解散热瓶颈，提高功率密度的重要举措，这为什么英飞凌提供预涂导热材料的模块。 实例二：芯片厚度与热阻 同样我们也可以仿真分析一下，芯片厚度对热阻的影响。 为了简化问题，我们用采用扩散焊的单管为例，其结构简单。由于采用扩散焊，热阻主要由芯片和铜框架构成，仿真条件：假设硅芯片的面积5.1mm² ，硅的芯片厚度分别为350um和110um，芯片损耗 170W。 可以直观地看清硅导热性不是特别好，相同条件下，350um的芯片要比110um芯片温度高15度，原因是芯片的厚度造成的热阻增大。 但器件的耐压与漂移区的长度和电阻率有关，太薄的晶圆意味着更低的耐压，太厚漂移区漂移区电阻也更大，热阻也增加，英飞凌开发IGBT薄晶圆技术就是一种完美的设计。 实例三：SiC碳化硅芯片的热优势 功率开关器件的耐压与其漂移区的长度和电阻率有关，而MOSFET是单极性功率开关器件，其通态电阻又直接决定于漂移区的长度和电阻率，与其制造材料临界击穿电场强度的立方成反比。因为4H-SiC有10倍于Si的临界击穿电场强度，因此基于SiC的功率器件允许使用更薄的漂移区来维持更高的阻断电压，从而显著降低了正向压降以及导通损耗，同时减小热阻。 做一个paper design例子，如果要获得5000V的耐压，使用掺杂为2.5*1013/cm3的衬底材料，Si基功率器件需要漂移层厚度0.5mm，单位面积电阻为10Ωcm2；SiC MOSFET使用掺杂为2.0*1015/cm3的漂移层，需要的厚度仅有0.05mm，单位面积电阻仅为0.02Ωcm2。 同时碳化硅的导热系数是490W/(m·K)，所以碳化硅芯片可以实现很高的功率密度，就是说，芯片面积很小，也可以保证芯片的散热。 SiC的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达800摄氏度。如果能够突破材料及封装的温度瓶颈，则功率器件的工作温度将会提升到一个全新的高度。 本文作者：陈子颖，转载自：英飞凌工业半导体。 参考资料： 《IGBT模块：技术、驱动和应用 》机械工业出版社

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