浮思特 | 创新烧结式温度传感器：实现功率电子器件精准温控的关键突破-电子发烧友网

烧结工艺可提供更优异的电气和热性能表现。在功率电子应用中，这种直接将半导体芯片及传感器等相关无源元件固定于基板的技术，已成为焊接工艺极具吸引力的替代方案。结合碳化硅等宽禁带半导体材料的使用，该技术可使功率电子器件的工作温度突破200°C，显著超越传统焊接型硅基元件150°C的峰值温度限制。

随着工作温度提升，模块整体过热风险加剧，因此实现高精度、低延迟的温度监测至关重要。本文研究了功率模块中温度传感器布局对测量的影响。通过模拟不同布局方案，论证了温度传感器贴近功率芯片的优势。这种近距离布局可通过特殊设计的可烧结绝缘铂金SMD温度传感器实现，该器件无需占用基板独立接触区域。消除传统蚀刻沟槽设计后，传感器信号的精度和响应时间获得显著提升，有助于实现更紧凑的模块设计。

背景与动机

功率电子被视为电动汽车的核心——电压转换器与逆变单元的布局设计直接决定整车性能、加速表现与能效。更高开关频率、更大功率输出及随之提升的工作温度，将有效延长续航里程并增强动态驾驶体验。除电动汽车外，风电设备与通信基站等应用同样受益于高频功率元件。

高温工况要求采用新型材料与连接技术。银烧结工艺正在成为标准连接方案[2]。当元件可采用单一工艺步骤完成装配时，生产流程将大幅简化。此外，兼容相同生产技术的元件可实现同步加工，进一步优化工艺流程。

所有应用中，过热仍是核心隐患——不仅加速电子元件老化，更会大幅缩短使用寿命。严重过热甚至会导致元件损毁，引发灾难性故障[3]。现行温控系统为补偿测量误差与延迟，通常设置安全裕度，但这会限制模块的性能发挥[4]。要提升性能表现，热管理系统必须获取延迟极低的高精度温度信号。

方法与路径

使温度传感器贴近热源是提升响应速度与精度的有效方案。Nexensos可烧结SMD温度传感器(Pt1000 SMD-SC)专为此挑战设计，可同步优化功率模块的多个性能维度。其表层传感层与背面金属化层的电气隔离特性(图1)，允许传感器直接布置在热源附近。

图1

这种设计不仅提升测温速度与精度，还能简化基板设计——传感器与其他元件可安装在同一电气平面的基板上。相比NTC烧结传感器等传统方案(图2)，该设计无需为传感芯片配置独立"孤岛"区域。

图2

为深入探究传感器布局影响，研究团队采用简化模型分析硅基(Si)功率模块与碳化硅基(SiC)新一代模块的热分布与响应时间。模型设计几何参数与材料选择无关，但材料属性与工作温度均按Si与SiC特性设定。

通过Comsol CFD建模套件完成的仿真研究，重点考察热源与温度传感器间距及蚀刻沟槽对基板布局的影响。模型中未考虑键合线散热、灌封材料差异等因素。硅基模块结温设为150°C，宽禁带材料(WBG)如SiC或氮化镓(GaN)设为200°C。通过设定结温模拟产热，功率芯片与温度传感器本身未通电以排除自热效应。

图3对比了不同传感器布局方案：得益于创新设计，传感器可紧邻功率芯片布置(图3a);同时模拟了当前常用的基板布局间距作为参照。对比模型中突出显示了蚀刻沟槽对测量精度与响应时间的影响(图3b)。对于NTC传感器等需要贯穿接触的元件，蚀刻沟槽是确保电气隔离的必要设计。而采用双顶面接触的可烧结铂金SMD传感器则完全无需隔离沟槽，大幅简化基板设计与制造流程。

图3

精度结果

传感器位置对测温精度具有决定性影响。在150°C与200°C工况下，传感器与功率芯片间距显著影响结温与检测温度的偏差。尽管模型未指定灌封材料且假设表面均匀散热，但温度随距离衰减的线性趋势依然明确(图4)。间距增大导致温度梯度加剧，测量精度随之下降。

图4

对于依赖体电阻的贯穿接触式温度传感器，额外蚀刻沟槽会扩大热源间距，进一步影响精度。图5所示的200°C工况温度分布证实：功率芯片与传感器间的非线性温降更为显著，凸显出最小化间距对精度提升的重要性。

图5

动态响应结果

缩短传感器间距还能改善响应速度。图6显示不同布局在功率芯片启动后的热响应差异：紧邻芯片布置的传感器(图6a)与芯片温度曲线斜率几乎重合;而增设蚀刻沟槽的方案(图6b)因间距增加导致响应延迟明显。以达到平衡温度90%所需时间t90衡量，近距离方案的1.0秒比远距离的1.3秒提速30%，功率芯片自身t90仅需0.72秒。由于模型设定背面散热，所有传感器均未检测到真实结温。