燒結(jié)工藝可提供更優(yōu)異的電氣和熱性能表現(xiàn)。在功率電子應(yīng)用中，這種直接將半導(dǎo)體芯片及傳感器等相關(guān)無源元件固定于基板的技術(shù)，已成為焊接工藝極具吸引力的替代方案。結(jié)合碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體材料的使用，該技術(shù)可使功率電子器件的工作溫度突破200°C，顯著超越傳統(tǒng)焊接型硅基元件150°C的峰值溫度限制。

隨著工作溫度提升，模塊整體過熱風(fēng)險(xiǎn)加劇，因此實(shí)現(xiàn)高精度、低延遲的溫度監(jiān)測至關(guān)重要。本文研究了功率模塊中溫度傳感器布局對(duì)測量的影響。通過模擬不同布局方案，論證了溫度傳感器貼近功率芯片的優(yōu)勢。這種近距離布局可通過特殊設(shè)計(jì)的可燒結(jié)絕緣鉑金SMD溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，該器件無需占用基板獨(dú)立接觸區(qū)域。消除傳統(tǒng)蝕刻溝槽設(shè)計(jì)后，傳感器信號(hào)的精度和響應(yīng)時(shí)間獲得顯著提升，有助于實(shí)現(xiàn)更緊湊的模塊設(shè)計(jì)。

背景與動(dòng)機(jī)

功率電子被視為電動(dòng)汽車的核心——電壓轉(zhuǎn)換器與逆變單元的布局設(shè)計(jì)直接決定整車性能、加速表現(xiàn)與能效。更高開關(guān)頻率、更大功率輸出及隨之提升的工作溫度，將有效延長續(xù)航里程并增強(qiáng)動(dòng)態(tài)駕駛體驗(yàn)。除電動(dòng)汽車外，風(fēng)電設(shè)備與通信基站等應(yīng)用同樣受益于高頻功率元件。

高溫工況要求采用新型材料與連接技術(shù)。銀燒結(jié)工藝正在成為標(biāo)準(zhǔn)連接方案[2]。當(dāng)元件可采用單一工藝步驟完成裝配時(shí)，生產(chǎn)流程將大幅簡化。此外，兼容相同生產(chǎn)技術(shù)的元件可實(shí)現(xiàn)同步加工，進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程。

所有應(yīng)用中，過熱仍是核心隱患——不僅加速電子元件老化，更會(huì)大幅縮短使用壽命。嚴(yán)重過熱甚至?xí)?dǎo)致元件損毀，引發(fā)災(zāi)難性故障[3]。現(xiàn)行溫控系統(tǒng)為補(bǔ)償測量誤差與延遲，通常設(shè)置安全裕度，但這會(huì)限制模塊的性能發(fā)揮[4]。要提升性能表現(xiàn)，熱管理系統(tǒng)必須獲取延遲極低的高精度溫度信號(hào)。

方法與路徑

使溫度傳感器貼近熱源是提升響應(yīng)速度與精度的有效方案。Nexensos可燒結(jié)SMD溫度傳感器(Pt1000 SMD-SC)專為此挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)，可同步優(yōu)化功率模塊的多個(gè)性能維度。其表層傳感層與背面金屬化層的電氣隔離特性(圖1)，允許傳感器直接布置在熱源附近。

這種設(shè)計(jì)不僅提升測溫速度與精度，還能簡化基板設(shè)計(jì)——傳感器與其他元件可安裝在同一電氣平面的基板上。相比NTC燒結(jié)傳感器等傳統(tǒng)方案(圖2)，該設(shè)計(jì)無需為傳感芯片配置獨(dú)立"孤島"區(qū)域。

為深入探究傳感器布局影響，研究團(tuán)隊(duì)采用簡化模型分析硅基(Si)功率模塊與碳化硅基(SiC)新一代模塊的熱分布與響應(yīng)時(shí)間。模型設(shè)計(jì)幾何參數(shù)與材料選擇無關(guān)，但材料屬性與工作溫度均按Si與SiC特性設(shè)定。

通過Comsol CFD建模套件完成的仿真研究，重點(diǎn)考察熱源與溫度傳感器間距及蝕刻溝槽對(duì)基板布局的影響。模型中未考慮鍵合線散熱、灌封材料差異等因素。硅基模塊結(jié)溫設(shè)為150°C，寬禁帶材料(WBG)如SiC或氮化鎵(GaN)設(shè)為200°C。通過設(shè)定結(jié)溫模擬產(chǎn)熱，功率芯片與溫度傳感器本身未通電以排除自熱效應(yīng)。

圖3對(duì)比了不同傳感器布局方案：得益于創(chuàng)新設(shè)計(jì)，傳感器可緊鄰功率芯片布置(圖3a);同時(shí)模擬了當(dāng)前常用的基板布局間距作為參照。對(duì)比模型中突出顯示了蝕刻溝槽對(duì)測量精度與響應(yīng)時(shí)間的影響(圖3b)。對(duì)于NTC傳感器等需要貫穿接觸的元件，蝕刻溝槽是確保電氣隔離的必要設(shè)計(jì)。而采用雙頂面接觸的可燒結(jié)鉑金SMD傳感器則完全無需隔離溝槽，大幅簡化基板設(shè)計(jì)與制造流程。

精度結(jié)果

傳感器位置對(duì)測溫精度具有決定性影響。在150°C與200°C工況下，傳感器與功率芯片間距顯著影響結(jié)溫與檢測溫度的偏差。盡管模型未指定灌封材料且假設(shè)表面均勻散熱，但溫度隨距離衰減的線性趨勢依然明確(圖4)。間距增大導(dǎo)致溫度梯度加劇，測量精度隨之下降。

對(duì)于依賴體電阻的貫穿接觸式溫度傳感器，額外蝕刻溝槽會(huì)擴(kuò)大熱源間距，進(jìn)一步影響精度。圖5所示的200°C工況溫度分布證實(shí)：功率芯片與傳感器間的非線性溫降更為顯著，凸顯出最小化間距對(duì)精度提升的重要性。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果

縮短傳感器間距還能改善響應(yīng)速度。圖6顯示不同布局在功率芯片啟動(dòng)后的熱響應(yīng)差異：緊鄰芯片布置的傳感器(圖6a)與芯片溫度曲線斜率幾乎重合;而增設(shè)蝕刻溝槽的方案(圖6b)因間距增加導(dǎo)致響應(yīng)延遲明顯。以達(dá)到平衡溫度90%所需時(shí)間t90衡量，近距離方案的1.0秒比遠(yuǎn)距離的1.3秒提速30%，功率芯片自身t90僅需0.72秒。由于模型設(shè)定背面散熱，所有傳感器均未檢測到真實(shí)結(jié)溫。

結(jié)論表明：鉑金SMD溫度傳感器通過貼近熱源布置，不僅提升測量精度，更將有效閾值到達(dá)時(shí)間大幅縮短，使系統(tǒng)能更快響應(yīng)溫度變化，有效預(yù)防過熱沖擊，延長功率模塊使用壽命。

結(jié)論

可燒結(jié)鉑金溫度傳感器(SMD-SC)為解決當(dāng)代及下一代功率模塊測溫難題提供了創(chuàng)新方案。如圖1所示，其傳感層與接觸層的內(nèi)置隔離特性開創(chuàng)了全新設(shè)計(jì)可能。得益于燒結(jié)優(yōu)化的背面金屬化隔離設(shè)計(jì)，該傳感器可靈活布置于基板任意位置?？s短熱源間距使溫度信號(hào)精度提升，響應(yīng)時(shí)間最高可優(yōu)化30%。

傳感器元件可采用標(biāo)準(zhǔn)細(xì)/粗線鍵合連接，銀燒結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)基板裝配，完美兼容現(xiàn)有產(chǎn)線。燒結(jié)連接保障了200°C以上的高溫工作能力。雖然當(dāng)前Pt1000傳感器標(biāo)稱上限為200°C，但持續(xù)研發(fā)正致力于突破這一限制，進(jìn)一步釋放燒結(jié)連接的潛力。