1 常用的結(jié)溫測(cè)試方法

因?yàn)镮GBT芯片在模塊內(nèi)部，難以直接測(cè)量，也不易直接接觸，國(guó)內(nèi)外關(guān)于IGBT芯片的結(jié)溫測(cè)試方法有很多研究，這也是近年來(lái)半導(dǎo)體器件的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一。現(xiàn)有的IGBT模塊內(nèi)部芯片的結(jié)溫檢測(cè)技術(shù)可大致分為如下三種方法：熱敏參數(shù)法、熱成像法和熱電偶法。

 

1.1 熱敏參數(shù)法

因?yàn)榘雽?dǎo)體器件內(nèi)部物理參數(shù)與溫度有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此半導(dǎo)體材料受溫度影響的特性將會(huì)使得IGBT功率器件的工作電氣特性呈現(xiàn)單調(diào)變化的趨勢(shì)，熱敏參數(shù)法就是利用了半導(dǎo)體器件電氣參數(shù)隨溫度變化而變化的特性。在不同的工況下，IGBT芯片的結(jié)溫會(huì)發(fā)生變化，使得對(duì)應(yīng)的電氣參數(shù)也發(fā)生變化。熱敏參數(shù)法就是通過(guò)測(cè)量IGBT的電氣參數(shù)，從而逆向評(píng)估IGBT芯片的結(jié)溫。熱敏參數(shù)法測(cè)試IGBT結(jié)溫時(shí)，一般有兩個(gè)狀態(tài)：工作狀態(tài)和測(cè)量狀態(tài)。測(cè)試過(guò)程中，將IGBT從工作狀態(tài)向測(cè)量狀態(tài)切換時(shí)，需要快速的切斷大電流；轉(zhuǎn)而將測(cè)試小電流加到器件上，從而獲取此時(shí)的結(jié)電壓來(lái)確定相應(yīng)的結(jié)溫。但是測(cè)試設(shè)備在切換的過(guò)程中會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)換延遲而導(dǎo)致zui初的一段時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。如果我們不做任何處理直接使用測(cè)試數(shù)據(jù)，必然會(huì)導(dǎo)致zui終的結(jié)溫偏差較大。

 

1.2 熱成像法

紅外熱成像儀能夠全局檢測(cè)IGBT晶圓的溫度分布。在用紅外熱成像儀測(cè)試之前，需要將待測(cè)IGBT做特殊處理。將IGBT模塊的封裝蓋板打開(kāi)，刮掉晶圓表面的透明硅脂；然后需要將IGBT晶圓表面涂黑，因?yàn)檫@樣可以增加輻射系數(shù)，從而提高溫度測(cè)試的準(zhǔn)確度。熱成像法的優(yōu)點(diǎn)是zui高結(jié)溫和熱阻非常準(zhǔn)確，可用于校驗(yàn)其他測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。但是需要破壞器件，將IGBT模塊拆開(kāi)，特制IGBT黑模塊，熱成像法測(cè)試系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且成本昂貴，在工程應(yīng)用中并不多見(jiàn)。

 

1.3 熱電偶法

熱電偶法是通過(guò)直接與IGBT模塊的芯片接觸而獲取結(jié)溫的方法。熱電偶法測(cè)量時(shí)對(duì)模塊具有一定的破壞性，測(cè)量溫度僅能反應(yīng)熱電偶附近的溫度，不能獲取整個(gè)IGBT芯片的溫度，而且熱電偶與芯片直接接觸，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與真實(shí)結(jié)溫偏差較大。相比之下，熱敏參數(shù)法無(wú)需破壞器件結(jié)構(gòu)且無(wú)需附加設(shè)備，具有更好的可操作性和適用性，需要解決的問(wèn)題就是工作狀態(tài)到測(cè)量狀態(tài)轉(zhuǎn)換階段的暫態(tài)噪聲問(wèn)題。

 

2 英飛凌IGBT的熱阻測(cè)試方法

英飛凌測(cè)試IGBT熱阻使用的測(cè)試設(shè)備是熱瞬態(tài)測(cè)試儀T3Ster。T3Ster主要用于測(cè)試電子器件的熱特性。國(guó)際固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)JEDEC在標(biāo)準(zhǔn)JESD51-1中定義了靜態(tài)測(cè)試法與動(dòng)態(tài)測(cè)試法。核心思想是通過(guò)改變半導(dǎo)體器件的輸入功率，使器件產(chǎn)生溫度變化，T3Ster能夠?qū)崟r(shí)采集器件瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線(xiàn)，從而得到電子器件的熱特性。

熱瞬態(tài)測(cè)試界面法具有很高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，通過(guò)這種高重復(fù)性的方法，可以方便地比較各種器件的結(jié)殼熱阻，而且這種方法同樣適用于熱界面材料的熱特性表征（見(jiàn)圖1）。

 

非常好次測(cè)量時(shí)直接將器件直接接觸到散熱器上；第二次測(cè)量時(shí)在器件和散熱器之間添加導(dǎo)熱膠。由于兩次散熱路徑的改變僅僅發(fā)生在器件封裝殼之外，因此結(jié)構(gòu)函數(shù)上兩次測(cè)量的分界處就代表了外界環(huán)境的變化對(duì)器件熱阻的影響。從右邊的測(cè)試結(jié)果看出，半導(dǎo)體器件是否加導(dǎo)熱膠在zui初的一段時(shí)間里，對(duì)熱阻幾乎沒(méi)有影響。在IGBT器件手冊(cè)中，供應(yīng)商都會(huì)基于某一個(gè)測(cè)試條件，給定IGBT的熱阻zui大值。而我們要獲取的是在不同工況下，或者我們的應(yīng)用條件下IGBT的熱阻。通過(guò)熱瞬態(tài)測(cè)試界面法的分析可知，對(duì)于同一個(gè)IGBT，無(wú)論散熱條件怎么變化，在zui初的某一段時(shí)間里，IGBT的熱阻曲線(xiàn)都是重合的。在熱敏參數(shù)法中由工作狀態(tài)到測(cè)量狀態(tài)切換過(guò)程中會(huì)引起噪聲，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確，如圖2所示。但是通過(guò)熱瞬態(tài)測(cè)試界面法的分析可知，在t0時(shí)刻的熱阻不隨外界環(huán)境變化而變化。因此可以直接從t0時(shí)刻以后開(kāi)始做數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完成后，直接加上

t0時(shí)刻的熱阻即可。

3 基于熱敏參數(shù)Vce的IGBT模塊結(jié)溫工程測(cè)試方法

基于Vce的IGBT模塊結(jié)溫工程測(cè)試方法是參考IEC60747中IGBT的結(jié)溫測(cè)試方法，測(cè)試時(shí)選用的是英飛凌汽車(chē)級(jí)IGBT模塊HPDrive系列FS820R08A6P2B（見(jiàn)圖2）。

 

非常好步：確定小測(cè)量電流I C1 下V CE 與結(jié)溫的溫度系數(shù)α VCE將被測(cè)IGBT放置在加熱器上，分別加熱到T 1 和T 2 ，且達(dá)到熱平衡。在溫度T 1 ，對(duì)應(yīng)測(cè)量小電流I C1 的電壓為V CE1 。在溫度T 2 ，對(duì)應(yīng)的電壓為V CE2 。溫度系數(shù)α VCE 為：

 

 

基于FS820R08A6P2B IGBT模塊W相上管，對(duì)IGBT芯片和二極管芯片在小測(cè)量電流下VCE隨結(jié)溫的變化曲線(xiàn)。

 

第二步：測(cè)量IGBT的熱阻和結(jié)溫將被測(cè)IGBT固定在殼體上。測(cè)量IGBT殼溫為T(mén) c1 。當(dāng)溫度T c1時(shí)，測(cè)量電流I C1 產(chǎn)生的電壓為V CE3 。接通開(kāi)關(guān)S，大電流I C2 流通。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，殼溫T C ＝Tc2，且V CE ＝V CE4 。這時(shí)，切斷IC2 ，且緊接著測(cè)量對(duì)應(yīng)I C1 的集電極－發(fā)射極電壓V CE5 。則在該瞬間有：

 

在切斷加熱大電流時(shí)，在起始階段不可避免的會(huì)受到電子干擾，因而使得開(kāi)始時(shí)刻短時(shí)間內(nèi)測(cè)得的信號(hào)無(wú)效。從雙界面法的測(cè)試結(jié)果看，在很短的一段時(shí)間里，熱阻不受外界條件影響，所以我們?cè)诔跏紩r(shí)刻的很短一段時(shí)間里（5ms）采用了英飛凌數(shù)據(jù)手冊(cè)中的熱阻測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖5）。

4 熱成像法測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述基于熱敏參數(shù)Vce的IGBT模塊結(jié)溫工程測(cè)試方法的準(zhǔn)確性，我們選擇用熱成像法在相同的外界條件下驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

 

熱成像法需要定制IGBT黑模塊，我們使用的是英飛凌的黑模塊，不需要再對(duì)IGBT模塊做處理。測(cè)試過(guò)程中，需要先通測(cè)試電流，并監(jiān)測(cè)Vce的電壓，然后直注入大電流，對(duì)IGBT芯片加熱，用熱成像儀實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT芯片的溫度，直到IGBT芯片的溫度穩(wěn)定（見(jiàn)圖6）。

 

從紅外熱成像儀的溫度分布云圖中可以捕捉IGBT芯片zui熱點(diǎn)的溫度，由Vce的電壓和加熱電流可以計(jì)算損耗，從而獲取IGBT的熱阻。

 

5 結(jié)論

通過(guò)基于熱敏參數(shù)的IGBT模塊結(jié)溫的工程測(cè)試方法和熱成像法的測(cè)試結(jié)果可知，兩種測(cè)試方法的熱阻差異非常小，結(jié)溫的偏差量在5℃以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需求（見(jiàn)圖7）。

 

在后期的項(xiàng)目中，可以根據(jù)使用條件，用基于熱敏參數(shù)的IGBT模塊結(jié)溫工程測(cè)試方法快速、準(zhǔn)確、低廉的測(cè)試IGBT的熱阻及結(jié)溫，從而更有效更安全的使用IGBT器件。