半导体温度的发展是决定电力电子系统使用寿命的最重要因素
，因此，尽可能准确地确定芯片温度非常重要
，那么如何确定半导体芯片温度呢？

　　所有数据表规格和服务寿命计算都参考了虚拟芯片温度或虚拟结温Tvj的数学构造。确定功率半导体的温度并非易事
。这是因为严格来说，并不存在所谓的“芯片温度”。

　　原位测量

　　所谓的原位测量是实验室中测量芯片温度的首选方法。在这里

，待测芯片首先使用校准的加热板加热到精确规定的温度。注入一个小测量电流，并测量产生的正向电压。正向电压与芯片温度之间存在线性关系，前提是流过恒定且精确已知的电流。

　　电流必须足够小，以免导致半导体加热，但又必须足够大以产生可测量的电压。测试半导体标称电流的1%左右的值已被证明是合理的。反过来，如果使用先前使用的电流并且知道组件上的电压，则可以从相关性中确定芯片温度

，该相关性是唯一且可逆的。

　　这种实验室测量的结果基于恒定的芯片温度

，并且由于外部加热
，芯片具有均匀的温度分布
。这种特殊情况并不反映实际应用中的条件
，提供了“芯片温度”或“结温”Tj

。

　　实际应用

　　然而，在实际应用中，芯片表面存在温度梯度;芯片中心比边缘，尤其是在角落处更热。这是因为与芯片中心相比，边缘和角落处可以向周围的组装和连接技术传递更多的热量。

图1

　　这种效应可以在图1所示的测量中看到，这些测量是使用红外(IR)成像相机进行的。

　　或者，通常在芯片上放置传感器，例如K型热电偶
。尽管传感器随后提供了一个温度值，但这并不一定代表用于表征和服务寿命确定的所需值
。这种测量的一个优点是
，只要测量设备满足保护设备和人员的要求，就可以在高电压和电流下进行操作测量。这很重要，因为传感器与芯片电接触，并携带潜在致命电压。

　　温度传感器通常放置在芯片中心，以可靠地提供最大值
。如果热关系足够精确地已知，也可以从最大值推断出平均值
。

　　虚拟芯片温度Tvj，代表整个芯片表面的平均温度值，在考虑服务寿命和热设计时总是感兴趣的
。如果可以实现
，原位测量也在实际设置中精确提供此值，因为只需要测量一个电流下的一个电压

。平均是这种测量设置的固有部分
。测量的电压代表芯片温度
，就好像它是均匀分布的一样
。

　　可靠性测试

　　半导体制造商的可靠性测试使用原位方法进行监控。在这里，由于芯片主动加热，方法接近应用。基于此方法的负载循环阻力信息已经包括了芯片上的最大温度值高于规定温度的事实
。这种方法保守且非常适合表征测量和质量保证过程
。

　　另一种计算平均值的方法是评估IR图像
。这种方法还允许观察实际操作中的半导体，并提供精确且与应用相关的信息
。对于评估，IR相机通常允许定义感兴趣的区域并确定其中的相关平均值。此过程用于图1;考虑的区域包括两个并联连接的二极管。

　　这种方法的缺点是观察到的半导体不能灌封。即使它们是光学透明的，灌封化合物也会阻挡发出的红外辐射，使得这种测量方式不可能实现。因此
，由于缺乏绝缘可能导致电弧、故障甚至破坏，此类设置不能在高电压下运行。

　　常用的另一种评估方法包括确定芯片中心和角落的温度TM和TE，并进行2比1的加权。

　　虚拟芯片温度结果为Tvj=1/3·(2·TM+TE)。这既可以从IR图像中实现
，也可以使用两个正确放置的温度传感器实现

。

　　并非巧合，即使这种看似简单的方法也能提供准确值。精确性可以通过芯片对角线上的热条件来解释。

　　从一角到对角线对面的角，芯片上的温度沿圆顶形曲线发展

。这种形状的良好近似是抛物线或正弦曲线。由于简单关系，这里首选正弦曲线。

图2

　　平均温度来自正弦曲线的有效值和偏移量。图2描绘了在这种情况下可以假设的曲线
。

　　所需的平均值对应于RMS值
，该值从幅度(TM-TE)和偏移TE计算为

：

　　在另一种表示法中
，方程可以重写为：

　　使用近似3/√2∼232∼2，结果是
：

　　比较方法

　　比较三种平均方法——原位、区域平均和2/3近似——得出了略有不同的数值。如果考虑到各自测量技术的公差，通常这些值仅在±1 K范围内略有偏差。

　　图3提供了使用IR相机从半导体模块中两个并联连接的二极管测量获得的数据的见解
。

图3

　　图3中清晰可见的二极管中间的测量点Sp1和Sp4以及角落的Sp2和Sp3用于1/2加权。这些测量点是手动放置的

，因此也存在公差。基于确定的局部值，二极管的虚拟芯片温度为：

　　输入区域Bx1和Bx3的平均值以及自动显示的最大值和最小值的评估提供
：

　　这意味着二极管D1的温度为92.25±1.25°C，二极管D2的温度为96.4±1.4°C
。尽管在这两种情况下都没有达到真正的最大值或最小值
，但最终确定的值的偏差可以忽略不计。

　　这对开发人员有什么实际用途和收益?确定芯片温度对于支持模拟结果至关重要，这些结果通常是预测开发中系统使用寿命的起点。在操作过程中测量芯片温度往往具有挑战性。

因此，反复请求的是获得带有附在芯片上的热传感器的定制功率设备。相反——如果芯片尺寸允许——放置两个传感器将在操作条件下非常准确地获得芯片温度
。所有方法的相似结果证明了当有两个热电偶的设置时，1/2平均是多么健壮。

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