[發(fā)明專利]一種在線測(cè)量IGBT模塊瞬態(tài)熱阻的方法和裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410699863.2
• 申請(qǐng)日: 2014-11-27
• 公開（公告）號(hào): CN104458799B
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梅云輝;王美玉;陸國(guó)權(quán);李欣;王磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N25/20
• 分類號(hào): G01N25/20
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 王麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種新的測(cè)量IGBT模塊中各層材料和材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的方法和裝置，具體地說(shuō)，涉及以IGBT的門極-發(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)測(cè)量瞬態(tài)熱阻的方法及裝置，屬于電子封裝模塊關(guān)鍵性能測(cè)試領(lǐng)域創(chuàng)新型技術(shù)。

背景技術(shù)

近年來(lái)，IGBT模塊趨于集成化和微型化，被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境中，功率密度和熱應(yīng)力不斷增大，其峰值熱通量甚至高達(dá)300W/cm²，嚴(yán)重影響了IGBT模塊的熱性能。在IGBT模塊中，連接層是影響其使用性能、可靠性及工作壽命的最重要的部分。因此，能夠準(zhǔn)確測(cè)量IGBT模塊尤其是連接層的溫升和熱阻，對(duì)于研究模塊失效機(jī)理和壽命預(yù)測(cè)具有重要意義。傳統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)態(tài)熱阻，包括整個(gè)模塊中所有材料和界面對(duì)熱阻的貢獻(xiàn)，難以測(cè)量每層材料和界面在模塊中的熱阻。瞬態(tài)熱阻根據(jù)熱擴(kuò)散原理，基于熱時(shí)間常數(shù)來(lái)控制熱量的傳導(dǎo)，可以得到任意層材料和界面在結(jié)構(gòu)中的熱阻。目前，測(cè)量瞬態(tài)熱阻的主要方法有：熱傳感器法、紅外熱探測(cè)法和電學(xué)法。熱傳感器法和紅外熱探測(cè)法都必須破壞封裝結(jié)構(gòu)，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，操作技術(shù)復(fù)雜，不能滿足IGBT結(jié)溫和瞬態(tài)熱阻在線精確快速測(cè)量的要求。現(xiàn)有的電學(xué)法以PN結(jié)正向壓降作為熱敏參數(shù)，其壓降與結(jié)溫的K系數(shù)約為2mV/℃，靈敏度較低，測(cè)量出的結(jié)溫和瞬態(tài)熱阻值誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要解決測(cè)量IGBT模塊中各層材料和材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的問(wèn)題，提供了一種在線測(cè)量，方便快捷，操作簡(jiǎn)單，精確度高的方法和裝置。IGBT模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本發(fā)明采用以IGBT的門極-發(fā)射極電壓V_GE作為熱敏參數(shù)的電學(xué)法，設(shè)計(jì)制造了瞬態(tài)熱阻測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量得出的V_GE與T_J的K系數(shù)約為10mV/℃，具有較高的精度，根據(jù)熱時(shí)間常數(shù)τ，控制脈沖通電時(shí)間t_H＝τ，t_H可精確至微秒級(jí)，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量封裝結(jié)構(gòu)中的各層材料和材料連接界面的瞬態(tài)熱阻，方便快捷，精確度高，穩(wěn)定性好，對(duì)于模塊失效分析和性能評(píng)估具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明方法通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種在線測(cè)量IGBT模塊中各層材料及材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的裝置，首先，將被測(cè)IGBT模塊置于K值校準(zhǔn)爐內(nèi)，IGBT模塊與測(cè)試電路板連接，測(cè)試電路板輸入端與可編程直流電源連接，輸出端與示波器連接，示波器輸出端與計(jì)算機(jī)連接，在計(jì)算機(jī)上計(jì)算得到K系數(shù)值；然后，將被測(cè)IGBT模塊與測(cè)試電路板連接，置于恒溫測(cè)試平臺(tái)上，恒溫測(cè)試平臺(tái)與水冷散熱系統(tǒng)連接，恒溫測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試電路板置于靜止空氣箱內(nèi)，測(cè)試電路板輸入端與可編程直流電源連接，輸出端與示波器連接，示波器輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，在計(jì)算機(jī)上計(jì)算得到瞬態(tài)熱阻值。

所述K值校準(zhǔn)爐，用來(lái)校準(zhǔn)門極-發(fā)射極電壓V_GE與結(jié)溫T_J的K系數(shù)值，使用的校準(zhǔn)溫度范圍為20～125℃，校準(zhǔn)溫度間隔為5℃，在校準(zhǔn)溫度下的保溫時(shí)間為10min；

所述測(cè)試電路板：測(cè)試電路板中的電路包括IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路和測(cè)試電路；在驅(qū)動(dòng)電路中，控制脈沖信號(hào)由單片機(jī)輸出，由MOSFET開關(guān)調(diào)節(jié)電流感應(yīng)電路，使IGBT處于加熱階段或冷卻測(cè)試階段，MOSFET開關(guān)由TPS2816高速驅(qū)動(dòng)器控制；在測(cè)試電路中，利用PI反饋控制保證加熱脈沖功率穩(wěn)定，利用RC濾波耦合降低噪聲干擾；緩沖電路將IGBT的V_GE輸出端子與示波器的測(cè)量端子隔離開，避免了示波器指針的干擾，提高了測(cè)試精度。

所述恒溫測(cè)試平臺(tái)，其溫度范圍為0～100℃，恒溫測(cè)試平臺(tái)由6021鋁合金板內(nèi)嵌銅管制成，銅管與水冷散熱系統(tǒng)連接，水冷散熱系統(tǒng)由循環(huán)泵和流動(dòng)水箱組成，循環(huán)泵靜態(tài)揚(yáng)程6m，靜態(tài)流量50L/min。

所述鋁合金板尺寸為30cm×25cm×2cm，銅管直徑為2cm.

所述靜止空氣測(cè)試箱，是完全密封的有機(jī)玻璃箱，將IGBT模塊，測(cè)試電路板及恒溫測(cè)試平臺(tái)放置在靜止空氣測(cè)試箱內(nèi)，避免空氣流動(dòng)引起的噪聲干擾。

所述可編程直流電源，用來(lái)給IGBT模塊提供加熱電壓V_H，其輸出功率達(dá)160W，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于50uS；電流表用來(lái)監(jiān)測(cè)加熱電流I_H，其測(cè)量速度達(dá)10Krdgs/s，準(zhǔn)確測(cè)量出IGBT模塊開關(guān)瞬間的電流變化。