什么是可引线键合的NTC热敏电阻？如何为SiC功率模块温度监测选择最合适的产品
TDK以NTCWS系列为代表，提供从小型产品到耐200°C高温产品的丰富可引线键合NTC热敏电阻产品阵容。
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什么是可引线键合的NTC热敏电阻？基本原理及其在车载功率模块中的作用
可键合NTC热敏电阻是一种在上下两面或仅在上表面形成金（Au）电极的小型负温度系数热敏电阻（NTC thermistor），可通过引线键合工艺直接安装在功率模块基板上。 传统的SMD（表面贴装）型及MELF型NTC热敏电阻以安装在PCB焊盘上为前提，而可键合NTC热敏电阻通过引线键合进行电气连接，大幅降低了对基板走线图案的依赖。
NTC热敏电阻的基本特性
NTC热敏电阻（Negative Temperature Coefficient Thermistor，负温度系数热敏电阻）是一种随温度升高阻值降低的电阻元件。利用这一特性，可在电路中实时将温度变化转化为电压信号进行检测，广泛应用于冷却控制、动作限制及过热保护等场景。
主要特性参数：
- R25（标称电阻值）：25°C时的阻值（例：10 kΩ）
- B常数（B25/85）：表示温度灵敏度的指数。B常数越大，对温度变化越敏感
- 公差：电阻精度（±1%或±3%）
TDK的NTCWS系列产品中，例如NTCWS3UF103FC1GT90B提供R25 = 10 kΩ ±1%、B25/85 = 3930 K ±1%的高精度规格。
什么是引线键合？
引线键合是一种使用细金属线（铝线、金线、铜线等）连接半导体芯片与外部电极的安装技术，在功率模块制造中被广泛采用。通过在该工艺流程中同步安装NTC热敏电阻，无需增加额外的安装工序，即可实现与功率模块组装一体化的温度传感设计。
在车载功率模块中的应用
可键合NTC热敏电阻的主要用途是对车载逆变器所搭载功率模块内的SiC/IGBT芯片进行温度传感。当功率模块内SiC器件发热时，布置在其附近的NTC热敏电阻检测温度变化，并作为冷却系统控制或动作限制的触发信号。
主要应用场景：
- 车载逆变器（EV/HEV电机驱动）
- DC-DC变换器
- 车载充电器 (OBC)
- 工业用功率模块（逆变器、UPS、光伏发电PCS）
为什么功率模块需要专用的可引线键合NTC热敏电阻？
传统方式（MELF/SMD芯片型NTC）存在的问题
传统上用于功率模块温度检测的方式主要包括以下几种：
| 类型 | 特点 | 问题 |
|---|---|---|
| MELF型NTC | 耐高温性和可靠性高 | 价格相对较高；需要安装在基板布线图形上 |
| 芯片型NTC（SMD） | 成本低，适合量产 | 只能测量环境温度；难以布置在发热元件附近 |
| 可引线键合NTC | 可以布置在发热元件附近 | 通常价格相对较高；电极结构的选择非常重要 |
高电压环境带来的根本性限制
功率模块内部功率半导体的安装焊盘上会施加数百伏至数千伏的高电压。传统的NTC热敏电阻（SMD和MELF型）不具备能够承受该电压的充分绝缘性能，因此只能安装在远离半导体芯片的位置。
由此会产生以下一系列问题：
❌只能在远离发热元件的位置进行测量 → 温度检测出现延迟和误差
❌为弥补检测精度不足，只能在低于实际耐热温度的条件下限制器件运行 → 功率半导体的性能受到限制
❌为了在性能受限的情况下获得相同输出，需要增加功率半导体的数量 → 成本和安装面积增加
可引线键合NTC能够解决的问题
可引线键合NTC热敏电阻无需依赖基板布线图形，即可安装在功率半导体裸片（芯片）附近。
其主要优点包括：
✅可在SiC/IGBT芯片附近实现高精度温度检测
✅缩短与发热元件之间的距离，实现接近温度上限时的安全运行控制
✅不受基板布线图形限制，提高布局设计自由度
✅提高温度检测精度，充分发挥功率半导体的性能
SiC功率模块中的温度传感技术要求
SiC器件相比传统的硅（Si）器件，具有能够在更高结温下运行的特点。同时，为了充分发挥其高效率，在发热元件附近进行精确的温度测量是不可或缺的。
SiC器件的发热特性与温度上限
SiC功率器件具有较高的耐热性能。然而，功率模块内部的开关损耗和导通损耗会产生局部高温环境。对于车载逆变器，设计上通常将结温（Tj）的上限设定在约 175～200°C。
相比之下，传统硅基功率模块的工作温度通常约为 125～150°C。随着SiC器件的应用不断扩大，对温度传感元件的性能要求也越来越高。
车载NTC热敏电阻所需的五项主要规格
以下是针对搭载SiC器件的车载功率模块，设计人员应确认的技术要求检查表。
| 项目 | 规格 | 要求／考虑事项 |
|---|---|---|
| ① 最高工作温度 | 175～200°C | 以适应SiC器件的高温工作环境 |
| ② 芯片尺寸 | 约0.3～0.5 mm见方的小型产品 | 因为功率模块内部的安装空间极为有限 |
| ③ 电极结构 | 支持上表面双电极结构，包括Au电极 | 以便通过引线键合安装在发热元件附近 |
| ④ 安装工艺兼容性 | 焊接／银烧结（兼容低氧环境）／引线键合 | 需要根据功率模块的制造工艺进行选择 |
| ⑤ 车载可靠性标准 | 符合AEC-Q200AEC-Q200 compliant | 以确保车载电子元件的可靠性 |
各安装工艺的电极材料要求
由于功率模块的制造过程中会涉及多种安装工艺，因此需要确认NTC热敏电阻的电极材料是否与所采用的工艺相匹配。
| 安装工艺 | 适用电极材料 | 主要注意事项 |
|---|---|---|
| 引线键合（铝线） | 上表面：Ni-Au电极 | 需要确认铝线的最大线径，例如150 μm。 |
| 引线键合（金线／铜线） | 上表面：Ni-Au电极 | 部分产品支持最大300 μm的线径。 |
| 焊接安装 | 底面：Ag／Ni-Au电极 | 确认是否兼容无铅工艺。 |
| 银烧结（低氧环境） | 底面：Ag厚膜电极 | 确认是否有耐银腐蚀性能要求。 |
如何选择可引线键合的NTC热敏电阻？主要评估指标有哪些？
选择可引线键合NTC热敏电阻时，主要评估以下四项指标：①最高工作温度、②芯片尺寸、③电极结构，以及④安装工艺兼容性。
① 选择最高工作温度
- 搭载SiC器件的逆变器： 推荐选择额定温度为 175～200°C 的产品。
- 搭载Si-IGBT的功率模块： 额定温度为 125～155°C 的产品通常已能够满足要求。
- 一般来说，应根据工作环境的最高温度，选择具有充分温度裕量，或进行适当降额设计的产品。
TDK的产品阵容覆盖从 125°C到200°C 的多个温度范围。
② 选择芯片尺寸
由于功率模块内部的安装空间极为有限，芯片尺寸是设计时需要权衡的重要因素。
- 优先考虑小型化时（空间限制严格）：约 0.3～0.35 mm见方
- 一般用途： 约 0.4～0.5 mm见方
- 特定用途（例如替代MELF型产品）：1.6 mm见方以上
TDK NTCWS系列的代表产品 NTCWS3UF103FC1GT90B 为小型产品，尺寸为 长×宽 = 0.33 ± 0.04 mm，厚度为 0.25 mm以下。
③ 确认电极结构
| 电极规格 | 特点 | 适用用途 |
|---|---|---|
| 上下表面电极（传统型） | 通用性高，可安装在基板布线图形上 | SMD安装及替代MELF型产品 |
| 上表面双电极（可引线键合专用型） | 无需基板布线图形，安装位置自由度高 | 安装在功率模块内部发热元件附近 |
④ 确认安装工艺兼容性
请确认所设计功率模块的制造流程，例如焊接、烧结或引线键合，并确认NTC热敏电阻的电极规格是否与相应工艺兼容。
如果您在功率模块温度传感设计方面有具体需求，欢迎索取TDK可引线键合NTC热敏电阻的样品。我们还可以根据您的要求推荐合适的产品，包括协助确定符合需求的产品型号。
TDK NTCWS系列的高可靠性：面向车载环境的可靠性测试数据
NTCWS系列在各种环境条件下均表现出高可靠性。例如，干热试验是在125°C环境中持续放置2,000小时的严苛试验条件。即使在这样的环境下，经过2,000小时后的电阻值变化率也仅为 +0.23%，表现出稳定的性能。
在冷热冲击试验中，产品分别在 −40°C和125°C 的低温及高温环境下各暴露30分钟。由于产品需要承受快速的温度变化，该试验条件非常严苛，但经过2,000个循环后，电阻值变化率仍稳定在 +0.19%。
- Cold Test:
-40℃, 2000 hours
- Dry Heat Test:
125℃, 2000 hours
- Damp Heat Test:
85%RH at 85℃, 2000 hours
- Thermal Shock Test:
-40℃/30min-125℃/30min, 2000 cyc
可引线键合NTC热敏电阻常见问题（FAQ）
Q1. 可引线键合的NTC热敏电阻与普通片式NTC（SMD）有什么区别？
A. 普通片式NTC热敏电阻（SMD）通常设计为通过焊接安装在基板焊盘上。相比之下，可引线键合NTC热敏电阻在上表面或下表面形成用于引线键合的Au电极，可以在不依赖基板布线图形的情况下，通过引线键合工艺直接连接。因此，该产品能够灵活地布置在功率模块内部发热元件的附近。
Q2. 什么是AEC-Q200？为什么它对车载设计至关重要？
A. AEC-Q200是由汽车电子委员会（Automotive Electronics Council）制定的车载被动元件可靠性标准。该标准规定了高温负荷、温度循环、焊接耐热性和振动试验等项目。一般而言，电子元件要被汽车零部件制造商采用，通常需要符合这一标准。由于车载应用对安全性和可靠性的要求远高于消费类产品，因此，选择符合AEC-Q200的元件是车载设计的基本原则。
Q3. 哪些设计需要具备200°C耐热性能的NTC热敏电阻？
A. 这类产品在搭载SiC功率模块的EV/HEV车载逆变器中的需求正在不断增加。SiC器件的最高结温高于硅器件，功率模块内部的工作温度可能达到 175～200°C。即使是硅基设计，在高负载运行和高密度封装条件下，也可能产生局部高温环境，因此有时需要选择额定耐温 175°C以上 的NTC热敏电阻。
Q4. 是否有兼容甲酸气氛银烧结工艺的NTC热敏电阻？
A. 银烧结是一种以甲酸（Formic Acid）为还原剂的高可靠性连接技术。选择兼容该工艺的NTC热敏电阻时，需要选择底部电极采用Ag厚膜结构、并具备耐甲酸环境性能的产品。由于不同产品的兼容性有所不同，请联系TDK获取技术咨询。
总结
可引线键合NTC热敏电阻是提升EV和HEV用SiC功率模块温度检测精度的重要元件。通过引线键合安装和优化的电极设计，该产品克服了传统SMD和MELF型产品无法解决的难题，使温度传感器能够在高电压环境下靠近发热元件安装。
设计人员在选型时应确认以下五点：
1. 最高工作温度 ：SiC逆变器通常应选择支持175～200°C的产品。
2. 芯片尺寸：根据功率模块内部有限的空间选择小型产品。
3. 电极结构：上表面双电极设计可最大限度提高安装位置的自由度。
4. 安装工艺兼容性：确认其是否适用于焊接、银烧结和引线键合工艺。
TDK的NTCWS系列提供多种产品，从尺寸为 0.31～0.48 mm见方 的小型芯片，到支持最高 200°C 工作温度的产品，能够满足车载功率模块设计中的各种需求。
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