功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽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，降低系統成本，並保證系統的可靠性。
功率器件熱設計基礎系列文章會聯繫實際，比較系統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。 功率模塊的散熱通路由晶片、DCB、銅基板、散熱器和焊接層、導熱脂層串聯構成的。各層都有相應的熱阻，這些熱阻是串聯的，總熱阻等於各熱阻之和，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。 各晶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或單個二極體，所以需要知道的殼溫是指晶片正下方的溫度，散熱器溫度也是指晶片正下方的溫度。英飛凌數據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（晶片）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於散熱器表面下方2mm±1mm（型式試驗特徵，應予規定）的規定的盲孔測量。 Tsx：散熱器溫度也可以取自距功率開關（晶片）最近的最熱可觸及點，但這殼溫與英飛凌數據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，建立與結溫的函數關係。
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。
註：在IEC 60747-15中的Rth(j-s),Rth(c-s)與本文中Rthjh和RthCH一致。 模塊殼溫的工程測量方法： 在晶片底部測殼溫是型式試驗方法，用於功率平台開發，而實際應用中，功率模塊會自帶NTC，負溫度係數熱敏電阻作為測溫元件。
NTC安裝在矽晶片的附近，以得到一個比較緊密的熱耦合。根據模塊的不同，NTC或者與矽晶片安裝在同一塊DCB上，或者安裝在單獨的基片上。 NTC測量值不是數據手冊中定義熱阻的殼溫，需要按照經驗進行修正，或進行散熱定標。
熱量可能傳導路徑的等效熱路：  經驗法： NTC可用於穩態過熱保護，其時間常數大約是2秒。在數據手冊上的瞬態熱阻曲線上可以讀到晶片的熱時間常數，0.2秒左右，但是整個散熱系統的時間常數卻非常大，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，更不能用於短路保護。
我們可以有兩個簡單的說法： 1.由於連接晶片結到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。由經驗可知，對於電力電子設備，散熱器的溫度和NTC的溫度的差值約等於10K的溫度左右。 這方法僅用於估算，建議用下面的定標法和熱仿真得到更精確的數值。
定標法： 對於結構設計完成的功率系統，我們可以測得晶片表面溫度和在特定的散熱條件下的Tvj~TNTC曲線，這曲線可以很好幫助你利用NTC在穩態條件下來監測晶片溫度。具體方法參考《論文|如何通過IGBT模塊內置的NTC電阻測量晶片結溫》。
下圖就是摘自上述微信文章，被測器件是PrimePACK™模塊FF1000R17IE4 1000A/1700V，採用可調風速的風冷散熱器。
晶片的溫度用紅外熱成像儀測量，數據手冊所定義的殼溫用熱電偶在晶片下方測量。NTC電阻值通過數據採集器記錄，並且根據IGBT模塊數據手冊中的NTC阻值-溫度曲線將電阻值轉換成對應的溫度值。 單管管腳溫度測量： 功率半導體單管，例如TO-247-3封裝，其中心管腳是框架的一部分，在系統設計中往往測中心管腳溫度作為殼溫的參考，為此JEDEC即固態技術協會在1973年就發布了一份出版物《測量電晶體引線溫度的推薦做法》，目前有效版本是2004年的JEP84A 。 JEP84A推薦做法包括： 1.建議的引線溫度測量點為距離外殼1.5毫米處或製造商指定的位置，如圖綠點位置； 2.熱電偶測量時，必須注意熱電偶與引線表面的牢固接觸，建議採用焊接方式； 3.熱電偶球的橫截面積不得大於引線橫截面積的二分之一，由於圖示封裝b3=2.87mm，所以熱電偶不要超過1.4mm。 |
