半导体元件管芯温度的测量方法：综述

摘要

监测半导体元件的温度可以预测潜在的故障，优化所选的冷却系统，并延长这些半导体元件的使用寿命。有许多方法可以测量半导体元件的晶体温度，称为裸片。测量的分辨率和准确性取决于所选的方法。本文描述了已知的方法，用于测量和成像半导体器件裸片表面的温度分布。还描述了允许根据外壳温度确定裸片温度的关系。指出了裸片温度测量方法的当前趋势和发展方向。

一、介绍

半导体元件用于构建在许多行业中使用的设备。在电动汽车，可再生能源，健康保护和物联网等领域中，这些解决方案得到了最快的发展。作为物联网节点的设备可用于与工业相关的应用。

一个描述半导体元件的重要参数是它们的操作温度。这个温度与元件中的功率耗散有关。在半导体设备的结中耗散的功率越多，其温度就越高，因此其外壳的温度也越高。因此，了解半导体元件的外壳温度可以控制操作条件并估算耗散的功率。

图1显示了具有代表性TO-220外壳的半导体设备的横截面。外壳的上部由模体、铜板和引线组成。在铜板的可见部分，有一个螺孔，用于连接散热器。模体内部有一个裸片。裸片是制造给定功能元件的半导体材料的小块。现代半导体材料的例子是硅Si，碳化硅SiC（14]和氮化镓GaN。裸片通过连接线与引线连接。这些是直径为几到几百微米的细线。裸片通过铜板连接到引线。

图1 构建放置在(a) TO-220横截面，(b) TO-220视图中的示例性半导体元件。

通过半导体元件的电流会导致裸片发热并因此增加其温度。过高的裸片温度表明在裸片中耗散的功率过多。裸片中释放的热量通过传导传递到半导体元件的其他部分。因此，外壳温度过高表明元件中耗散的功率过多，这可能恶化半导体元件的操作条件或在极端情况下导致元件损坏。半导体元件操作条件的恶化可能导致其使用寿命的减少和设备能效的降低。

二、半导体元件模具温度的测量方法

要确定半导体元件的裸片温度，可以使用以下三组方法中的一种：1、电气方法 2、接触方法3、非接触方法

电气方法是可以直接访问裸片而无需移除模体的唯一方法。

用于测量半导体裸片温度的电气方法基于半导体裸片温度与热参数之间的关系。这些方法的准确性取决于在TSP和裸片温度之间确定的准确关系。这些方法的分辨率取决于所使用的交直流转换器的分辨率。因此，为了获得令人满意的结果，这些方法需要使用扩展的测量系统。此外，使用这些方法来测量工作半导体设备中半导体裸片的温度需要改变电路或使用具有薄尖的特殊机器。由于这些原因，很难将此类方法用于工作电子设备中半导体裸片的温度测量。

三、讨论

要接触裸片需要破坏模体。带有损坏模体的电子仪器不能用于电子设备。因此，在实际应用中，更常见的方法是将温度传感器应用于半导体仪器的外壳，然后从测量的外壳温度来确定裸片的温度。

所介绍的一些方法仅允许进行点测量。这种方法的例子是接触法，使用适当选定的温度传感器。这些方法无法映射半导体元件或裸片表面的温度分布。此外，将金属传感器应用于半导体设备的裸片表面可能会导致裸片受损。这也很危险，因为在测量过程中有触电的风险。

四、结论

通过接触和非接触方法可靠地测量外壳温度是可能的，可以使用常用的设备。根据这样测量的外壳温度，可以确定裸片温度。然而，这需要使用适当的分析方法，将这两个温度结合起来，例如FEM方法。根据本文所分析的方法，可以确定最佳的温度测量方法（用于测量工作期间半导体裸片的温度）是间接方法。对于这种测量，建议使用FEM和半导体外壳的热成像温度测量。