如何精准测量半导体芯片温度，延长电力电子系统寿命 - pcim电力展

如何精准测量半导体芯片温度，从而提升电力电子系统的使用寿命

半导体的温度变化是影响电力电子系统寿命的关键因素。准确识别芯片温度是非常重要的一步。这些数据表和寿命估算都是基于一种理论上的芯片温度，称为虚拟结温度（Tvj）。然而，真正的问题在于，功率半导体的温度并不是那么容易确定的，因为其实并没有一个明确的“芯片温度”。

在实验室里，原位测量是理想检测芯片温度的方法。一开始，给待测芯片接上一个经过校准的加热板，让它加热到设定的温度。接下来，通过注入一个微量的测量电流，记录下随之而来的正向电压。只要流过芯片的电流保持在一个稳定且已知的数值，正向电压就和温度存在直接的线性关系。这个电流要小到不会让半导体过热，却又要足够以便能测出有效电压。通常，测试时流过半导体额定电流的1%被视为合适。

通过这种关系，我们能够根据已知电流和测得的电压，推算出芯片的温度。实验室检测的依据是一个保持稳定的芯片温度，同时因为外部加热，芯片各部分的温度分布也是均匀的。不过，现实应用中却大相径庭，芯片表面会出现明显的温度梯度，芯片中心的温度高于边缘，尤其是角落的位置。这是因为芯片边缘的热量更容易传散到外部的组件上，而不集中在芯片中心。像图1展示的那样，我们可以利用红外成像相机观察这一现象。

除此之外，芯片上通常还会放置一个传感器，比如K型热电偶。虽然这个传感器能提供温度读数，但这并不一定能代表与特性和寿命相关的准确值。这个方法的一个优点是，它能在高电压和电流下运行，只要相关设备能够保护好设备和人身安全。然而，由于传感器和芯片之间存在电气接触，可能会有致命的电压风险。这就是为什么温度传感器通常被安置在芯片的中心位置，以便可靠地记录最高温度。如果热关系能够精确获知，便可以根据中心值推断出平均值。

在探讨使用寿命和热设计时，虚拟芯片温度Tvj实际反映的是整个芯片表面的平均温度。如果可能，原位测量在实际环境中能够提供这个值，因为只需要测某一电流下的电压即可。这个测量过程的平均值是固有的，所测得的电压仿佛均匀分布。

对于半导体制造商而言，在可靠性测试中通常会采用原位方法来进行监测。此方法接近于实际应用，因为芯片是主动加热的。基于这一方法获取到的负载循环耐受性信息，已经将芯片的最高温度考虑在内。这种方式可以说是相对谨慎，同时非常适用于特性测量和质量保证流程。

另一种计算平均值的手段就是通过评估红外图像。这种方式不仅能够反映半导体在真实操作中的表现，还能给予应用相关的准确信息。IR摄像机的软件通常允许用户指定感兴趣的区域，并在此区域内计算出相关的平均值。这一过程在图1中已有展示，该区域涵盖了两个并联连接的二极管。

然而，这种方法存在一个缺点：任何被测的半导体如果封装，可能会导致测量的不准确。即使它们是光学透明的，封装材料也会阻挡发出的红外辐射，造成测量的困难。因此，在高电压情况下，这种设置并不适用，因为缺乏绝缘会引发电弧、故障，甚至对设备造成损害。

一种常见的替代评估方法是确定芯片中心的温度TM和一个角落的温度TE，并进行加权。虚拟芯片温度Tvj可以用公式Tvj=1/3·(2·TM+TE)得出。红外图像或者正确处于两点的温度传感器均可实现这一方法。尽管这看似简单，但能够获得精确的值却并非偶然。温度沿着芯片对角线呈抛物线或正弦形变化，由此我们可以用正弦曲线来准确描述这一关系。

图2绘制的曲线恰好展现了这一情况。为了求取平均值，可以计算正弦曲线的有效值并进一步处理。通过调整公式，我们可得到所需的温度。经过比较三种方法——原位、面积平均和2/3近似，得出的数据略有不同。考虑到每种测量技术的公差，其范围通常在±1 K内，轻微的偏差是可以接受的。图3则展示了使用IR相机从测量两个并联连接的二极管中获得的数据。这些测量点的位置由人手工放置，因此也会存在误差。

根据这些局部值，我们得出二极管的虚拟芯片温度的评估：区域Bx1和Bx3的平均值以及自动计算出的最大与最小值显示，二极管D1的温度为92.25±1.25°C，而D2的温度则为96.4±1.4°C。尽管并未找到真实的极值，最终确定的温度差异可以忽略不计。有了现实的芯片温度，许多开发者能够准确评估系统的预期寿命。

在实际运行中，获取芯片温度往往充满挑战。因此，市场上频繁出现对带有温度传感器的定制功率器件的需求。如果芯片大小合适，放置两个传感器将能实现更为精确的温度检测，即便是在操作状态下。所有方式得出的相似结果也就证明了当配置了两个热电偶时，1/2加权法的有效性。