Các mối nối bán dẫn, từ hàng triệu bóng bán dẫn trong mạch tích hợp cho đến các mối nối hợp chất diện tích lớn của đèn LED độ sáng cao, đều dễ bị hỏng sớm do nhiệt độ tăng cao. Vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi kích thước chi tiết giảm và yêu cầu về dòng điện tăng lên. Ngay cả trong điều kiện hoạt động bình thường, các tổn hao công suất vẫn có thể gây tích tụ nhiệt, làm tăng nhiệt độ tại mối nối. Nhiệt độ cao kéo dài có thể tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể bán dẫn, dẫn đến suy giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ thiết bị. Do đó, việc đo chính xác nhiệt độ tiếp giáp (junction temperature) là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của linh kiện điện tử. Bài viết này trình bày cách đo nhiệt độ tiếp giáp đơn giản bằng các thiết bị đo lường và kiểm tra thông thường, cũng như cách sử dụng thông tin này để theo dõi điều kiện hoạt động của một thiết bị cụ thể.

Định nghĩa

Trong lĩnh vực điện tử, nhiệt độ tiếp giáp và nhiệt độ hoạt động đôi khi có thể trùng nhau, ví dụ chất bán dẫn đang sử dụng trong thiết bị. Tuy nhiên, nhiệt độ tiếp giáp chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt độ môi trường, và mối quan hệ giữa chúng được mô tả bởi phương trình:
TJ = Ta + (PD x Rja)
Trong khi đó:
TJ: Nhiệt độ tiếp giáp (°C)
Ta: Nhiệt độ môi trường (°C)
PD: Công suất tiêu tán của mạch tích hợp (W) biểu thị công suất tiêu tán của mạch tích hợp tính bằng Watts
Rja: Điện trở nhiệt từ mối nối đến môi trường xung quanh (°C/W)
Nhiệt độ tiếp giáp thể hiện mức nhiệt thực tế tại vùng bán dẫn bên trong thiết bị — nơi xảy ra quá trình dẫn điện. Trong quá trình vận hành, nhiệt độ này luôn cao hơn nhiệt độ bên ngoài của bộ phận và nhiệt độ vỏ ngoài. Sự chênh lệch giữa nhiệt độ mối nối và vỏ tỉ lệ thuận với lượng nhiệt truyền qua lớp vật liệu và điện trở nhiệt từ mối nối đến vỏ.
Ngoài ra, nhiều tính chất vật lý ảnh hưởng đến nhiệt độ của vật liệu bán dẫn, bao gồm sự tạo ra hạt tải điện do kích thích nhiệt, tốc độ khuếch tán của các nguyên tố tạp chất và độ linh động của hạt tải điện.

Các thuật ngữ về nhiệt

Hạt mang điện là thuật ngữ trong Vật lý chỉ các hạt (hoặc hạt giả) có thể di chuyển tự do và mang điện tích. Điều này đặc biệt đúng với các hạt mang điện tích trong chất dẫn điện. Hai ví dụ  điển hình của chúng là ion và electron.

Các nguyên tố tạp chất hoặc chất tạo tạp là lượng nhỏ một nguyên tố được đưa vào vật liệu để thay đổi các tính chất điện hoặc quang học ban đầu của vật liệu đó.

Độ linh động của hạt tải điện là thông số đặc trưng trong Vật lý, mô tả tốc độ mà một electron có thể di chuyển qua chất bán dẫn hoặc kim loại khi chịu tác dụng của  điện trường.

Tầm quan trọng về việc giữ ổn định

Vì nhiệt độ mối nối cũng chính là nhiệt độ hoạt động an toàn, nên nó có ảnh hưởng trực tiếp đến các yếu tố thiết kế tổng thể, chức năng và hiệu suất của thiết bị. Do đó, cần phải có khả năng tính toán chính xác nhiệt độ tiếp giáp tối đa.

Các hướng dẫn về nhiệt độ mối nối tối đa có trong bảng dữ liệu (datasheet) đi kèm với linh kiện. Thông tin này được sử dụng để tính toán điện trở nhiệt từ vỏ đến môi trường tương ứng với công suất tiêu tán cho phép. Hơn nữa, kết quả tính toán còn giúp  lựa chọn bộ tản nhiệt phù hợp cho quá trình thiết kế, nếu có.

Đối với bộ xử lý máy tính hiện đại, hầu hết các nhà sản xuất đều tích hợp cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ lõi của chip xử lý. Do đó, bất cứ khi nào cảm biến ghi nhận nhiệt độ gần giới hạn TJ, hệ thống điều tiết nhiệt sẽ được kích hoạt— bao gồm giảm tốc độ xung nhịp, khóa hoặc kéo dài chu kỳ xung — nhằm hạ nhiệt độ lõi. Tuy nhiên, nếu các biện pháp này không đủ hiệu quả, hệ thống sẽ tự động tắt máy để ngăn ngừa hư hỏng do nhiệt độ mối nối quá cao. Do đó, để có được giá trị gần đúng của nhiệt độ tiếp giáp (TJ), chúng ta sử dụng phương trình đã đề cập trước đó: TJ = Ta + (PD x Rja).
Trong lĩnh vực điện tử, mọi thiết bị đều cần năng lượng để hoạt động. Năng lượng này được cung cấp qua dòng điện và điện áp từ một hoặc nhiều nguồn. Tuy nhiên, sự tiêu thụ năng lượng luôn tạo ra nhiệt, khiến nhiệt độ mối nối tăng lên.

Nói chung, nhiệt độ môi trường (Ta) sẽ quyết định nhiệt độ tối thiểu mà thiết bị có thể hoạt động. Dù có áp dụng bất kỳ biện pháp kiểm soát nhiệt nào, thiết bị đang vận hành luôn có nhiệt độ mối nối cao hơn môi trường xung quanh. Vì vậy, nhiệt độ tiếp giáp phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, và yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế cũng như ứng dụng thực tế của thiết bị.

Cách đo

Có nhiều kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng để ước tính nhiệt độ mối nối của linh kiện. Việc sử dụng các thông số nhiệt chính xác là rất quan trọng để đảm bảo kết quả ước tính nhiệt độ có độ chính xác cao. Dưới đây là hai phương pháp phổ biến có thể dễ dàng áp dụng trong môi trường thí nghiệm để xác định nhiệt độ mối nối.
Phương pháp 1: Sử dụng điện trở nhiệt từ mối nối đến môi trường (θJA)
Mô tả
Đây là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để ước tính nhiệt độ mối nối mà không cần bất kỳ thiết bị đo chuyên dụng nào, chỉ cần nắm được mức tổn hao công suất trong gói linh kiện.
Yêu cầu:
- Giá trị θJA của linh kiện cho PCB cụ thể đang được thử nghiệm.
- Nhiệt độ môi trường hoạt động và tổn thất chính xác trong linh kiện.

Phương trình:

Thách thức:

Giá trị θJA phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế PCB và luồng không khí, điều này có thể dẫn đến sai số nếu không được tính toán chính xác. Đo lường chính xác nhiệt độ môi trường và tổn thất của IC là một khía cạnh quan trọng khác.
Phương pháp 2: Sử dụng đặc tính nhiệt từ mối nối đến vỏ (đỉnh) (ψJT)
Mô tả
Phương pháp này chính xác hơn trong việc ước tính nhiệt độ mối nối, nhưng cần thêm thiết bị để đo  nhiệt độ bề mặt vỏ linh kiện. Tuy nhiên, nó không thể được sử dụng để ước tính nhiệt độ mối nối khi sử dụng tản nhiệt trên bao bì.
Yêu cầu:
Giá trị ψJT của gói cho PCB đang thử nghiệm. Đo lường chính xác nhiệt độ trên cùng vỏ và công suất tiêu tán của linh .
Các kỹ thuật đo nhiệt độ vỏ:

Hai phương pháp đo nhiệt độ bao bì thường được sử dụng được mô tả như sau:‍

• ‍Sử dụng Camera nhiệt: Camera nhiệt có thể được sử dụng để quan sát nhiệt độ vỏ. Phương pháp này phù hợp để đo nhiệt độ phòng. Đo lường chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của camera nhiệt cũng như tổn thất trong bao bì.‍
• Sử dụng cặp nhiệt điện: Cặp nhiệt điện có thể được gắn vào mặt trên của vỏ bao bì để đo nhiệt độ vỏ. Phương pháp này phù hợp để đo trong nhiều dải nhiệt độ, đặc biệt khi cần đặt bao bì vào buồng nhiệt. Đo lường chính xác chủ yếu phụ thuộc vào cặp nhiệt điện và đồng hồ vạn năng được sử dụng.

Phương trình:

Thách thức:
Đo nhiệt độ vỏ bao bì chính xác là rất quan trọng để ước tính nhiệt độ mối nối chính xác.
Việc gắn cặp nhiệt điện lên nắp hộp bao bì để đo nhiệt độ có thể gặp khó khăn.

Kết luận

Vì các thiết bị bán dẫn công suất bị ảnh hưởng mạnh bởi tính năng của chúng, nên cần áp dụng phương pháp thực tiễn để đánh giá đáng tin cậy tuổi thọ của thiết bị. Các cấu hình nhiệm vụ (mission profiles) được trình bày tương ứng với từng ứng dụng công nghiệp, bao gồm: 

• Cấu hình bức xạ mặt trời theo ngày và năm cho hệ thống quang điện;
• Cấu hình mô-men xoắn và tốc độ tham chiếu cho xe cơ giới;
• Cấu hình điện áp và tải tham chiếu cho xe buýt điện;
• Cấu hình tốc độ gió cho hệ thống phát điện gió;
• Cấu hình tần số – dòng điện cho bộ biến tần nguồn điện ba pha;
• Nhiệt độ mối nối trong điều kiện hoạt động ổn định (giai đoạn 1T) và hành vi hỗn loạn khi tải không đổi.

Ngoài ra, một số mô hình điện của Mosfet, IGBT và diode, được xây dựng dựa trên đặc tính dòng điện - điện áp từ bảng dữ liệu, được trình bày cùng với tính toán tổn thất công suất cho tổn thất công suất dẫn và chuyển mạch. Ngoài việc tính toán tổn thất công suất, trở kháng nhiệt là cần thiết để ước tính nhiệt độ mối nối. Một số phương pháp nhiệt được liệt kê dưới dạng mạng Foster và/hoặc Cauer hoặc các mô hình phân tích và xử lý toán học, chẳng hạn như chuỗi Fourier, hàm Green hoặc phương pháp tối ưu hóa bầy đàn hạt.