以塑封料温度测量为基础的一种结温计算方法

电子

摘要：本文将说明分立IGBT和二极管的结和塑封料（MC）之间温度差异的总体相关性。我们以引线架背面为基准，通过分立功率器件的相关参数说明这种差异。这些参数包括封装类型（TO220，To220 Fullpack和TO247）和芯片面积。最终给出了一组完整的公式，来计算结温。利用本文的结果，设计工程师将能够准确而轻松地计算器件的真实结温。

导言

对于电子器件原型的评估通常包括对功率晶体管和二极管最大结温的评估。一种常用的估计结温的方法是测量MC正面的温度。许多工程师估计测量点与结温之间的差别大约在5K-10K左右。这一方法很不精确，因为它没有考虑诸如芯片面积或封装形式等重要条件。但由于能容易地获得MC正面的温度，因此这一方法十分流行。其它一些测量管壳温度的方法，例如在引线架上或管脚上进行测量，通常既不实际也不可靠。众所周知，要想在应用中对结温进行在线测量是十分复杂的。因此值得对提议的方法进行仔细地评估，并设计出一套可靠的方案，利用应用中器件的MC温度和分析计算得到的功耗来计算结温。

对MC温度与功耗关系的评估

为了计算封装的温度曲线，需要使用ANSYS有限元模拟工具。首先要生成具有适当封装和安装形式的3D器件模型。模拟使用的边界条件如下：
1）塑封料是非等温的
2）管壳（即引线架）是非等温的
3）周围环境（即散热器）是等温的

图1显示了封装剖面图，每个部分标有相应的温度标记。

图1：封装剖面图

本文中所使用的术语“封装”指的是引线架和塑封料的总体结构（包括管脚）。环境温度指参考温度。在现实中可以是散热器的温度。管壳温度Tc特指引线架上最热点的温度。如图1所示，这一位置通常位于芯片下方引线架和绝缘层之间的区域。塑封料的温度TMC是指塑封料表面的温度。

图2：模拟得到的SKW25N120芯片表面的温度分布（焊接厚度为100μm）

图3：模拟得到的TO247封装表面的温度分布（焊接厚度为100μm）

假设材料的特性与温度无关。此假设同样适用于硅片，因此本文中得到的结果与晶体管或二极管的工艺无关。但是，材料本身是非等温的。这意味着，必须在散热器上指定一个参考点。本文中所提到的塑封料和结的温度，是指它们最热点的温度。对不同功率下的温度曲线进行了计算。特别对最高芯片温度、最高封装表面温度和最高绝缘层温度进行了监控，为进一步评估做准备。

图3和图2显示了MC和结之间的温差。模拟焊接厚度为100μm。图3显示了模拟得到的塑封料正面温度相对于引线架背面温度的增量ΔTc。因此绝对温度为

                  (1)

因此，温度范围就是相对的温度增量。彩条比例的确定，使最热点正好位于其末端的红色部分。以图1为例，最高温度比背面高出45.1K。功耗为PD = 350W，并且背面被等温地钳位到参考温度。这里使用的是SGW25N120器件[1]。

图2显示的是同样的设置，但没有塑封料，因此通过模拟能够查看芯片表面的温度。这里请注意，彩条的红色部分依然对应最热的点。现在这一点的温度比引线架背面温度高出75K。

在一个给定的工作点下，图3和图2（PD = 350 W）中的温差为30K。在几个不同的功耗点下重复这一过程就得到了图4。由于材料特性不随温度变化，因此将导致温度增量与功耗呈线性关系。为了覆盖英飞凌IGBT和二极管的整个工作温度范围（分别从-40℃到150℃或175℃），这里给出的相对于引线架的温度增量ΔTc覆盖了200K的范围。通过将系统中所允许的最高散热器温度加上器件塑封料的温度增量ΔTMC或管壳的温度增量ΔTc，就能得到使用SGW25N120的系统允许最大功耗PD。

现在可以估计在一个给定的散热器温度THS下的最大功耗。以SGW25N120为例，在最上方的那条曲线上，散热器温度和结温增量之和不应该超过150℃。

图4：SGW25N120（10.4mm2）的结温（ΔTj）、塑封料温度（ΔTMC）和管壳温度（ΔTc）的温度增量。

根据下式，图4中红色（最上方）曲线的斜率即为结到管壳的热阻
            (2)
因此根据定义，绿色（最下方）曲线的斜率即为管壳到环境的热阻
         (3)
这样，结到环境的热阻就能够简单地由两条斜率之差得到。

封装特性的综合

图5显示了结到管壳的热阻Rth(j-c)和管壳到环境的热阻Rth(c-a)相对于芯片面积和封装类型的计算值。芯片面积的范围从0.25mm2到33.5mm2，封装为TO220和TO247。

两种封装都是针对引线架和散热器之间的绝缘层进行模拟的。图5中已经将绝缘层包括在从管壳到环境的热阻中（水平线）。能够看出，由于管壳被认为是等温平面，因此管壳到环境的热阻随芯片面积只有很小的变化。

但是，TO220和TO247具有不同的管壳到环境的热阻（水平线）。由于TO220与环境相连的引线架的面积大了许多，因此TO220的值（1.4K/W）几乎比TO247的值（0.75K/W）大了一倍，并且TO220的热扩散和热转换效应也大了许多。

从图5中可以看出，两种封装的Rth(j-c)之间存在交叠区域。如前所述，Rth(j-c)很大程度上依赖于芯片的面积。小芯片只能通过有限的芯片粘合面积来散热。因此结到环境的热阻与芯片面积成反比，随芯片面积的减小而增大。[3]中已经总结了这一规律。这意味着芯片面积对芯片和管壳间的热连接有影响。然而，封装类型对热管理中结到管壳的热阻Rth(j-c)却没有影响。这样就可以为TO220和TO247指定相同的结到管壳的热阻Rth(j-c)。

图5：TO220和TO247的热阻与芯片面积之间的关系

图6中的a)显示了与封装相关的结果，使用的是TO220封装。图6中的a)到c)共同显示了封装类型和芯片面积对于塑封料温度设定的影响。管壳温度的增量ΔTc和相应的结温增量ΔTj由给定的功耗来定义。由图4可以看出，ΔTc与封装相关，ΔTj与芯片面积相关。

a) TO 220

b) TO 220Fullpack

c) TO 247

图6：不同的有效芯片面积下，TO 220、TO 220 Fullpack和TO 247封装的结温增量与管壳温度增量间的函数关系。

芯片面积的范围从0.25 mm2到10.4 mm2，其中包括了英飞凌为这些封装类型所提供的尺寸最小的功率晶体管。如果芯片面积为10.4 mm2，则管壳温度每增加20K，会使结温增加大约40K。在散热器（即“环境”）温度为50℃的应用中，管壳温度为50℃+40℃ = 90℃。由于ΔTj和ΔTc都是以环境温度为参考的，因此结温为50℃+55℃ = 105℃。这样，系统将能按照热要求进行工作。

如果损耗和由其引起的温度增量ΔTc是固定的，则理论上可以将这一结果转换成相同封装中不同芯片面积的结果。这可以由图6中的a)到c)来验证。在图中可以找到芯片面积所对应的温度增量ΔTj。这里需要说明的是，在应用中较小的芯片在给定的负载条件下通常会产生较大的损耗，因为IGBT的饱和电压会增大。较大的损耗会引起较大的温度增量ΔTc，并因此引起比大芯片更大的温度增量ΔTj。

然而，仍然可以再次计算或测量小芯片的功耗，得到新的ΔTc值。如果按图6中a)的格式将此新值画到图中，就能计算出最终的结温增量。现在，使用大芯片还是小芯片的差异可以被消除了。

在这里请注意，我们无法将相同芯片面积下的值从一种封装形式转换到另一种封装形式下。由图5可知，每种封装形式下，管壳到环境的热阻是不同的。这意味着即使功耗相同，不同封装形式下的温度增量ΔTc也会不同。由图6可知，欲得到相应的结温增量ΔTj，必须计算或测量新的管壳温度的增量。

图6的b)和c)中显示了与TO220封装类似的TO220FullPack封装和TO247封装的曲线。

ΔTj和ΔTc之间是线性关系。这意味着图6中每条曲线的斜率是固定的
         (4)
此斜率被称为“转换因子”kconv。转换因子现在特指封装类型和芯片类型之间热特性的关系。转换因子越大，在给定的ΔTc和芯片面积下结温的增量ΔTj就越大。对于给定的ΔTj，由于转换因子越大，对应的管壳温度ΔTc就越小，此时转换因子越大越好。

图7显示了转换因子与芯片面积之间的关系。可以看出，与TO220和TO220Fullpack封装相比，封装TO247能提供最大的转换因子。在自上而下的设计方法中，这张图能帮助工程师决定哪种封装和芯片面积是最优的。通常在设计中会留有一个固定的余量，结温必须低于其最大值。在图6中考虑ΔTj的这一余量，就能得到相应的ΔTc。由这两个值就能确定转换因子。现在就能够确定芯片面积了，为了满足所选定的温度增量，对于一种给定的封装类型，其芯片面积必须满足一定的要求。请注意，图7中的曲线之间不能相互转换。

图7：TO220、TO220Fullpack和TO247封装的转换因子与芯片面积之间的关系

图7中的曲线在芯片面积从2.5mm2到10.4mm2的区域内存在交叠。在这一面积范围内，芯片可以用TO220/TO220Fullpack或TO247进行封装。图8显示了不同封装的转换因子与绝缘层热阻之间关系的比较。这张图显示了转换因子与管壳到环境的热阻Rth(c-a)之间的重要关系。得到Rth(c-a)后，可以根据功耗计算出温度增量ΔTc。随后，再由图8中相应的转换因子就能计算出结温。

假设在TO247封装中，给定的功耗为PD = 50 W，芯片面积为10.4mm2，则管壳温度为ΔTc = Rth(c-a) * PD = 0.76 K/W * 50W = 38℃。随后，将ΔTc乘以转换因子就能得到增量ΔTj。因此，在这种情况下，结温将增加ΔTj = 38℃ * 1.51 = 57.4℃。

将这一方法应用于TO220可得，ΔTc = Rth(c-a) * PD = 1.27 K/W * 50 W = 63.5℃。引起结温的增量为ΔTj = 1.36 * 63.5℃ = 86.4℃。所有的温度都以环境温度为参考。

图8：TO220、TO220Fullpack和TO247封装的转换因子与芯片面积之间的关系

使用类似的计算方法，工程师就能迅速地决定哪种产品具有最好的性价比。

本文基于有限元模拟方式讨论了塑封料温度或结温等温度增量的规律。总的来说，管壳温度和结温升高的机制可以被区分开。这就需要依赖封装形式图表，来确定结温增量ΔTj与管壳温度增量ΔTc的关系。

最后，引入了转换因子的概念，并解释了其在功率电子设计中的作用。
Wolfgang Frank, Peter Türkes
英飞凌科技股份公司
Am Campeon 1-12
85579 Neubiberg
Germany
wolfgang.frank@infineon.com

参考文献

[1] Infineon Technologies: SGW25N120; Datasheet, Infineon technologies.
[2] W. Frank, H. Hüsken:  Considerations on Design of antiparallel Diodes for Combination of IGBT and Diodes in one Package; PCIM Europe; Nuremberg, Germany, 2005.
[3] Bergquist: SIL-pad datasheet ; http://www.bergquistcompany.com/tm_sil_pad_list.cfm; Bergquist company.

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