燒結工藝可提供更優(yōu)異的電氣和熱性能表現(xiàn)。在功率電子應用中，這種直接將半導體芯片及傳感器等相關無源元件固定于基板的技術，已成為焊接工藝極具吸引力的替代方案。結合碳化硅等寬禁帶半導體材料的使用，該技術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，模塊整體過熱風險加劇，因此實現(xiàn)高精度、低延遲的溫度監(jiān)測至關重要。本文研究了功率模塊中溫度傳感器布局對測量的影響。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計的可燒結絕緣鉑金SMD溫度傳感器實現(xiàn)，該器件無需占用基板獨立接觸區(qū)域。消除傳統(tǒng)蝕刻溝槽設計后，傳感器信號的精度和響應時間獲得顯著提升，有助于實現(xiàn)更緊湊的模塊設計。

背景與動機

功率電子被視為電動汽車的核心——電壓轉(zhuǎn)換器與逆變單元的布局設計直接決定整車性能、加速表現(xiàn)與能效。更高開關頻率、更大功率輸出及隨之提升的工作溫度，將有效延長續(xù)航里程并增強動態(tài)駕駛體驗。除電動汽車外，風電設備與通信基站等應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。銀燒結工藝正在成為標準連接方案[2]。當元件可采用單一工藝步驟完成裝配時，生產(chǎn)流程將大幅簡化。此外，兼容相同生產(chǎn)技術的元件可實現(xiàn)同步加工，進一步優(yōu)化工藝流程。

所有應用中，過熱仍是核心隱患——不僅加速電子元件老化，更會大幅縮短使用壽命。嚴重過熱甚至會導致元件損毀，引發(fā)災難性故障[3]?，F(xiàn)行溫控系統(tǒng)為補償測量誤差與延遲，通常設置安全裕度，但這會限制模塊的性能發(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。

方法與路徑

使溫度傳感器貼近熱源是提升響應速度與精度的有效方案。Nexensos可燒結SMD溫度傳感器(Pt1000 SMD-SC)專為此挑戰(zhàn)設計，可同步優(yōu)化功率模塊的多個性能維度。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。

這種設計不僅提升測溫速度與精度，還能簡化基板設計——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燒結傳感器等傳統(tǒng)方案(圖2)，該設計無需為傳感芯片配置獨立"孤島"區(qū)域。

為深入探究傳感器布局影響，研究團隊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時間。模型設計幾何參數(shù)與材料選擇無關，但材料屬性與工作溫度均按Si與SiC特性設定。

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

圖3對比了不同傳感器布局方案：得益于創(chuàng)新設計，傳感器可緊鄰功率芯片布置(圖3a);同時模擬了當前常用的基板布局間距作為參照。對比模型中突出顯示了蝕刻溝槽對測量精度與響應時間的影響(圖3b)。對于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計。而采用雙頂面接觸的可燒結鉑金SMD傳感器則完全無需隔離溝槽，大幅簡化基板設計與制造流程。

精度結果

傳感器位置對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溫與檢測溫度的偏差。盡管模型未指定灌封材料且假設表面均勻散熱，但溫度隨距離衰減的線性趨勢依然明確(圖4)。間距增大導致溫度梯度加劇，測量精度隨之下降。

對于依賴體電阻的貫穿接觸式溫度傳感器，額外蝕刻溝槽會擴大熱源間距，進一步影響精度。圖5所示的200°C工況溫度分布證實：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精度提升的重要性。

動態(tài)響應結果

縮短傳感器間距還能改善響應速度。圖6顯示不同布局在功率芯片啟動后的熱響應差異：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;而增設蝕刻溝槽的方案(圖6b)因間距增加導致響應延遲明顯。以達到平衡溫度90%所需時間t90衡量，近距離方案的1.0秒比遠距離的1.3秒提速30%，功率芯片自身t90僅需0.72秒。由于模型設定背面散熱，所有傳感器均未檢測到真實結溫。

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

結論

可燒結鉑金溫度傳感器(SMD-SC)為解決當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)了全新設計可能。得益于燒結優(yōu)化的背面金屬化隔離設計，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精度提升，響應時間最高可優(yōu)化30%。

傳感器元件可采用標準細/粗線鍵合連接，銀燒結工藝實現(xiàn)基板裝配，完美兼容現(xiàn)有產(chǎn)線。燒結連接保障了200°C以上的高溫工作能力。雖然當前Pt1000傳感器標稱上限為200°C，但持續(xù)研發(fā)正致力于突破這一限制，進一步釋放燒結連接的潛力。