2011 十月

用于功率半导体元件的负温度系数热敏电阻

集成温度保护

新的爱普科斯负温度系数热敏电阻是由TDK-EPC以基于晶片的制造工艺开发的,可以非常简单地整合入功率半导体元件。允许执行可靠的温度监控功能,保护昂贵的电子设备免于故障或损坏。

 

传统的陶瓷NTC(负温度系数)热敏电阻对温度测量是理想的,同时也是符合成本效益的元件。爱普科斯已经制造这些产品多年,有引线式型号或最通常的EIA封装尺寸的表贴元件,例如0402、0603、0805等等。负温度系数热敏电阻用途广泛,用于汽车和工业电子设备以及家用电器,例如,冰箱、洗衣机、洗碗机以及烹调器。

这些负温度系数热敏电阻的微型表贴型号日益直接整合入功率半导体元件例如IGBT组件,进行超温保护。但是,在流程管理中传统型号会产生一定的困难。包括: 

  • 端子必须设计成半导体基片上的焊盘以便于焊接或连线。
  • 如果元件不能完全平置,基片与负温度系数热敏电阻之间的热阻会增加。
  • 基片和负温度系数热敏电阻不同的温度系数可能导致破碎。
  • 产生于半导体注模流程的热和机械应力也可能导致热敏电阻破碎。

使用复杂的、代价高的技术流程可以解决部分问题。但是,在半导体操作过程中的破碎风险不能完全避免。为了解决这些问题,TDK-EPC为爱普科斯芯片负温度系数热敏电阻(图1)开发了基于晶片的制作工艺。

图1:分离前负温度系数热敏电阻晶片
完整的负温度系数晶片载体。接触面在芯片的上下而不是在两端,表面安装元件通常是这样。

对于由晶片(图2)制造的负温度系数热敏电阻而言,电端子配置十分重要:与传统的安装元件不同,它们位于表面的上下端而不是元件的两侧。这能够通过下部的端子直接水平连接到半导体上。上部端子是通过通用的焊线接触的。这个接触表面是镀金或镀银的以达到最佳的焊线结果。

基片上的水平排列的端子显著地降低了破碎的风险,同样也使焊接多余。

 

图2:负温度系数热敏电阻芯片
端子在上元件在下的布局极大地减少了破碎的风险。

晶片制程允许较小的容差

负温度系数芯片热敏电阻的另一个优点是其较小的电和热容差。这个精度是由特殊技术流程获得的:分离元件之前,晶片的总电阻是由100 °C的额定温度决定的。分离的热敏电阻尺寸是由此计算的,因此确保单个元件的容差规格是非常精密的。图3显示了在额定温度25-60 °C的电阻和温度的∆值。

  

图3:电阻和温度容限

爱普科斯负温度系数芯片热敏电阻的电阻(左)和温度(右)容差是以25-60°C的额定温度为参照的。

缩小的容差及其产生的高精密度超出了半导体生产商的要求。这使得IGBT可以在非常接近最大可容许值的温度下运行。

负温度系数热敏电阻的B值及其容差对其精密度是非常重要的。一般而言,B值决定了电阻/温度曲线的坡度。这种关系在图4中是非常明显的,显示了电阻和温度是如何作为不同的B值容差的函数变化的。

 

图4:电阻和温度容差作为B值的函数

B值容差越狭小,测量值越精确。图形显示了在0.3%和1%的ΔB/B值得电阻(左)和温度(右)容差。

  

图5中显示了B值对测量精度的影响。这个图将额定温度为25 °C(3%的B值容差;R2525时5%的容差)封装尺寸0603的传统表贴负温度系数热敏电阻与100 °C(1%的B值容差;R25100时3.5%的容差)额定温度的负温度系数热敏电阻芯片进行对比。显然,芯片负温度系数热敏电阻提供了显著狭小从而更好的容差。

  

图5:芯片式负温度系数热敏电阻和传统的表贴负温度系数热敏电阻的对比

120 °C左右的温度对半导体非常重要,芯片式负温度系数热敏电阻在这里有±1.5 K的高测量精度,表贴元件则只能做到±5 K。

事实上,这意味着配备表贴负温度系数热敏电阻的IGBT组件必须在120 °C的测量温度时降额使用,因为考虑到±5 K容差,实际温度可能已经达到125 °C,这个温度对耗尽层是非常危险的。另一方面,温度也可能仅仅为115 °C,但虽然如此,断电也是必要的。同样必须考虑的就是由于焊接流程的原因,大多数表贴负温度系数热面电阻有达±3%电阻漂移,进一步减少了测量精度。对于芯片负温度系数热敏电阻情况是完全不同的:由于在120 °C时仅为±1.5 K的狭小容差,所以不需要断电直到温度达到123 °C。本例清晰地表明芯片负温度系数热敏电阻允许IGBT组件使用达到最高性能限制,因此可以更好地加以利用。如今现有的芯片负温度热敏电阻可以在温度达155 °C时运行。最大的运行温度甚至可以达到175 °C。同时,B值容差可以缩小至0.5%。这也使芯片负温度系数热敏电阻完美地适用于例如基于碳化硅(SiC)的新一代的半导体。

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