[發明專利]一種由功率循環生熱的IGBT模塊溫度和應力測試裝置及方法

在審

• 申請號: 202011237611.X
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112433138A
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 黃春躍;魏維;高超;謝俊;劉首甫
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 童世鋒

本發明公開了一種由功率循環生熱的IGBT模塊溫度和應力測試裝置及方法，裝置包括直流穩定電源、延時繼電器、微型圓形高溫陶瓷快速加熱片、IGBT模塊、示波器、紅外攝像儀、直角應變花、動態應變儀和PC機；該方法使用延時繼電器來連接電源與微型圓形高溫陶瓷快速加熱片，利用延時繼電器的延時循環功能，可以給微型圓形高溫陶瓷快速加熱片循環提供不同電壓，來實現給IGBT模塊循環生熱的目的；通過紅外攝像儀可以準確測出此時IGBT模塊的溫度，為后續在某個溫度下進行應力應變實驗提供依據；通過直角應變花連接IGBT模塊與動態應變儀，可以實時測出被測位置的應變，應變結果在PC機上顯示，利用實驗數據可以實現IGBT模塊在不同功率載荷加載條件下的溫度及應力測試。

技術領域

本發明涉及電子元器件封裝與測試的技術領域，具體是一種由功率循環生熱的IGBT模塊溫度和應力測試裝置及方法。

背景技術

絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是一種功率半導體器件，具有較高的輸入阻抗、偏低的通態電壓、能承受大電流、有良好的熱穩定性、極快的開關速度等特點。在高鐵控制系統、汽車電子元器件、風力和太陽能發電、家電工作模塊等領域都有廣泛的應用。在IGBT模塊工作過程中，IGBT模塊會有一個工作循環過程，即通電-運行-斷電的過程，在這個過程中，產生的溫度變化會使IGBT模塊受到溫度循環載荷的作用，又因為IGBT模塊內部各部分材料熱膨脹系數不一樣會產生熱應力，導致釬料層剝離，而釬料層在模塊中不僅起連接與支撐的作用，而且還是一條重要的散熱通道，因此它的可靠性對整個IGBT模塊的可靠性起到了關鍵影響作用。對于焊點熱可靠性方面的研究，國內外學者大多是通過仿真從熱設計方面對模塊進行熱分析，分析模塊的溫度分布規律，或是從功率循環角度研究模塊的溫度分布或力學響應。而對IGBT模塊的仿真是否具有一定的正確性，還需要進行實驗驗證。

發明內容

本發明的目的在于提供一種由功率循環生熱的IGBT模塊溫度和應力測試裝置及方法，該方法基于功率循環生熱對IGBT模塊釬料層的溫度和應力進行實驗驗證；通過延時繼電器模塊形成功率循環的加載條件，然后通過紅外攝像儀和動態應變儀來實現IGBT模塊釬料層的溫度和應力測試，該裝置設計簡單，可以實現不同功率載荷的加載，極大的方便了驗證軟件仿真的正確性。

實現本發明目的的技術方案是：

一種由功率循環生熱的IGBT模塊溫度和應力測試裝置，包括依次連接的直流穩壓電源、延時繼電器和微型圓形高溫陶瓷加熱片；微型圓形高溫陶瓷加熱片放置在IGBT模塊的芯片上模擬芯片發熱；IGBT模塊的芯片背面開設盲孔露出釬料層，直角應變片黏貼在釬料層上，直角應變片與動態應變儀連接將IGBT模塊釬料層由于功率循環生熱產生的應變顯示在PC機上；IGBT模塊周圍設置紅外攝像儀用于記錄IGBT模塊測試件在高低功率兩個時刻的溫度；微型圓形高溫陶瓷加熱片兩端還與示波器信號輸入端并聯連接，用于檢測陶瓷加熱片上的電壓，形成電壓波形。

所述的延時繼電器為循環定時繼電器。

所述的直角應變片采用承受溫度為-40-150℃的直角應變花，具有中等耐溫性，可保證該裝置在工作時，應變片基本不受溫度影響，保證了應變測試的準確性。

用上述一種由功率循環生熱的IGBT模塊溫度和應力測試裝置測量IGBT模塊溫度和應力的方法，包括如下步驟：

1)基于ANSYS APDL建立IGBT模塊仿真模型，并對其施加循環功率載荷，獲得IGBT模塊釬料層的仿真溫度和仿真應力值；

2)獲取對IGBT模塊仿真模型上n個芯片施加的總熱功率：仿真中對芯片施加的功率以密度形式加載，根據功率密度乘以芯片總體積，得到對IGBT模塊中n個芯片施加的總的循環高低功率；