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功率器件结温和壳顶温度的差异 [复制链接]

前言
         
        开关电源、电机驱动以及一些电力电子变换器通常会使用功率器件,在设计过程中要测量功率MOSFET或IGBT结温,保证其在合理安全的工作范围,因为功率器件结温与其安全性、可靠性直接相关。测量功率器件结温通常有2种方法:热电偶和红外热成像测温仪。
       
        使用热电偶测量温度,为了提高测量精度,需要进行精确的温度补偿和校准,热电偶本身要用特定粘胶固定在测量器件表面,或用机械方式固定并保证其和器件底部铜片具有良好的接触,固定方式和接触面积都会影响测量的精度。相对于被测量功率器件,热电偶接触面积大,本身相当于散热器作用,影响测量精度。此外,器件底部铜片和结温也有一定差异,也影响内部结温的测量精度。
       
        红外热成像仪不需要和器件接触,测量过程对测量精度影响小。但是,红外热成像测温仪测量的是功率器件塑料外壳顶部温度,这个温度和功率器件内部结温有一定差异,本文就是研究这二者温度差值的范围,从而为实际应用提供温度降额的设计参考。
       
        1、功率器件的热阻
         
        功率器件散热特性和其热阻特性直接相关,如图1所示。RJC是结到壳(底部铜片)的热阻,如果功率器件底部没有铜片,那么就是结到和硅片衬底连接的管脚的热阻RJL。功率器件内部热量主要通过底部铜片和塑料壳这二条路径散热,RJT为结到塑料壳的热阻,RTA为塑料壳到空气的热阻,RCA为底部铜片到空气的热阻。事实上,由于RJT+RTA 远远大于RJC+ RCA,只有很少部分热量从塑料壳导出,塑料壳顶部温度和结温差值比较小,实际应用中,红外热成像测温仪测量功率器件塑料外壳顶部温度,通常把塑料外壳顶部的温度近似为器件结温。
         
        为了更为精确得到塑料外壳顶部温度和实际器件结温的差异,使用实验测量方式,进行定量分析,同时,研究塑料外壳封装类型和芯片尺寸大小,对于温度差异的影响。

 

        

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        图1  功率器件的热阻
       
        

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        图2  红外热成像仪测量温度
         
        2、芯片结温校核曲线测量
         
        功率器件内部通常会有寄生PN结二极管,如功率MOSFET反并联寄生体二极管,就相当于一个温度传感器,一定温度对应着一定二极管压降。每一个硅器件都对应着特定的校准曲线。一旦确定,在静态条件下,可以测量功率器件内部寄生二极管的压降,通过校核的结温曲线,得到相应的内部芯片结温。
         
        将热电偶安装在器件底部裸露铜皮上,然后将器件放在搅动热液体油中,器件热平衡后,整个器件温度会保持一致;然后,器件寄生体二极管流过固定的小电流,电流大小为10mA,测量寄生体二极管正向压降VF;同时,通过热电偶测量器件底部裸露铜皮温度,也就是结温,就可以得到器件寄生体二极管正向压降VF和结温变化的校核曲线。
       
        注意到,器件热平衡后,保持稳态时,器件的整体温度都相同。在油温度低于100度时,可以同时使用温度计进一步校核油的温度和热电偶测量温度,让它们保持一致。校核时,温度计尽可能靠近器件。测量器件寄生二极管压降时,使用KELVIN连接法。
         
        

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        图3  VF和结温校核曲线,IF=10mA
         
        选择三种类型的功率MOSFET:AON6414A,AON6500,AO4407A,封装和内部芯片尺寸如表1所示,然后分别测出它们的结温校核曲线。
         
        

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        AON6414A
       
        

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        AON6500
       
        

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        AO4407A
        图4  不同封装器件
         
        3、器件塑料外壳顶部温度和芯片结温测量
         
        器件塑料外壳顶部温度和芯片结温测量系统的示意图,如图5所示,每个器件分别安装在不同焊盘铜皮尺寸的PCB板上,如图6所示,PCB为2层板,覆铜厚度2OZ。
         
        

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        图5  测量系统的示意图
       
        

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        (a) 0.3cm2焊盘铜皮
       
        

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        (b) 10cm2封装焊盘铜皮
        图6  器件安装的PCB

 

        测量的步骤如下:
         
        (1)将器件AON6414A安装在PCB板上,设定功率回路的电流值,如1A,连通功率回路和测量回路,器件寄生体二极管中通过约1A电流,寄生体二级管的功耗加热器件,使用红外热成像测温仪,测量器件塑料外壳顶部温度,当其温度稳定后,记录相应功耗和对应的器件塑料外壳顶部温度。
         
        (2)断开步骤1中功率回路,仅保持10mA测量回路的连通,10mA电流继续流过器件寄生体二极管,测量寄生体二极管的电压,在器件的结温校核曲线中,由二极管的电压得到相应的芯片结温。通常,此过程的测量时间非常短,同时由于器件热容的影响,内部芯片结温基本不会降低。
         
        (3)改变功率回路的电流值,重复步骤1和步骤2,完成器件AON6414A的测量。
         
        按照上面的方法,分别测出AON6500和AO4407A的结果,测量的结果分别如下表所示。
         
        表1  AON6414A塑料外壳顶部温度和芯片结温,焊盘铜皮 10cm2
         

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        表2   AON6414A塑料外壳顶部温度和芯片结温,焊盘铜皮0.3cm2
         
        

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        表3  AON6500塑料外壳顶部温度和芯片结温,焊盘铜皮0.3cm2
       
        

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        表4  AO4407A塑料外壳顶部温度和芯片结温,焊盘铜皮0.3cm2
        

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        不同封装的器件,测量结果对比图,如图7所示。

 

        

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        图7  塑料外壳顶部温度对温度差异
         
        增加环境温度,使用AO4407A测量塑料外壳顶部温度和结温,测量结果如表5所示。
         
        表5  环境温度对温差影响

 

        

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        AO4407A测量塑料外壳顶部温度如图8所示。
       
         

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        Ta=21.3℃
         

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        Ta=30.4℃
        图8   环境温度对塑料外壳顶部温度影响

 

        在实际工作的条件下,不太可能实时测量功率器件内部寄生二极管的压降来确定内部芯片的结温。可以将使用上述静态方式测量的结温,结合红外热成像测温仪测量的塑料外壳顶部温度,校核它们之间的差值。在实际应用中,测量到塑料外壳顶部温度,基于这个差值,就可以得到芯片内部结温。

 

        

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         图9  红外热成像测温仪测量温度和仿真温度

 

        5、结论
         
        (1)芯片塑料壳顶部和结温的差异,受封装影响大,不同封闭类型、不同外壳材料等因素都会影响到这个差值。顶部塑料壳越厚,温差越大。
        (2)贴片类型封装,芯片塑料壳顶部和结温的温差,经验值通常取5-10℃左右。
        (3)同样环境温度条件下,热阻RJA(结到环境)随着结温的增加而增大,热阻RJT(结到顶部)随着结温的增加而减小。
        (4)芯片塑料壳顶部和结温的差异,随着环境温度的增加而减小。
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塑封一般的工作温度在0-125度左右

有个问题,可以讨论,塑封的芯片是否容易受潮,即在湿度环境会有影响性能么?

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100度水就变成水蒸气了,那芯片周围是不是得弄上绝缘胶?  详情 回复 发表于 2022-5-10 18:39

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qwqwqw2088 发表于 2022-5-10 16:58 塑封一般的工作温度在0-125度左右 有个问题,可以讨论,塑封的芯片是否容易受潮,即在湿度环境会有影响 ...

100度水就变成水蒸气了,那芯片周围是不是得弄上绝缘胶?

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没仔细研究过,也没条件 刚出塑封芯片时,曾经有人担心过,塑封在潮湿环境下,金属引脚氧化,使湿气像芯片内部蔓延,导致绝缘能力下降,可能会导致逻辑芯片会发生混乱  详情 回复 发表于 2022-5-10 19:15

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wangerxian 发表于 2022-5-10 18:39 100度水就变成水蒸气了,那芯片周围是不是得弄上绝缘胶?

没仔细研究过,也没条件

刚出塑封芯片时,曾经有人担心过,塑封在潮湿环境下,金属引脚氧化,使湿气像芯片内部蔓延,导致绝缘能力下降,可能会导致逻辑芯片会发生混乱

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感觉目前塑封芯片周围有做密封,有一定的防水等级。  详情 回复 发表于 2022-5-11 09:04

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qwqwqw2088 发表于 2022-5-10 19:15 没仔细研究过,也没条件 刚出塑封芯片时,曾经有人担心过,塑封在潮湿环境下,金属引脚氧化,使湿气像 ...

感觉目前塑封芯片周围有做密封,有一定的防水等级。


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