[發(fā)明專利]基于熱阻抗特征頻率的功率半導體器件健康狀態(tài)評估方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111030719.6
• 申請日: 2021-09-03
• 公開（公告）號: CN113702794B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設計）人: 馬柯;鐘權
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26;G06F30/398;G06F119/02;G06F119/04
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 徐紅銀

1.一種基于熱阻抗特征頻率的功率半導體器件健康狀態(tài)評估方法，其特征在于，包括：

提取功率半導體器件的熱阻抗特征頻率；所述功率半導體器件為包含散熱器的功率半導體器件或不包含散熱器的功率半導體器件；

檢測n個所述熱阻抗特征頻率的變化情況；

將所述熱阻抗特征頻率的變化情況，與健康狀態(tài)下的熱阻抗特征頻率進行對比，評估所述功率半導體器件的健康狀態(tài)；

所述評估功率半導體器件的健康狀態(tài)，其中：

所述熱阻抗特征頻率反映功率半導體器件不同位置的健康狀態(tài)，包括內(nèi)部的功率半導體器件的多層結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)判斷、外部散熱器及其接觸界面的健康狀態(tài)判斷；

將提取的功率半導體器件的熱阻抗特征頻率，與健康狀態(tài)下的熱阻抗特征頻率進行對比，當不同頻段的熱阻抗特征頻率變化率達到設定的程度后，即判斷功率半導體器件對應位置出現(xiàn)了老化；

所述n個熱阻抗特征頻率包括低頻段熱阻抗特征頻率、中頻段熱阻抗特征頻率、高頻段熱阻抗特征頻率中一個或多個，所述低頻段、中頻段和高頻段根據(jù)功率半導體器件類型而有所變化，低頻段熱阻抗特征頻率的范圍0～5Hz，中頻段熱阻抗特征頻率的范圍為5～100Hz，高頻段熱阻抗特征頻率的范圍為大于100Hz；其中：

所述低頻段熱阻抗特征頻率，反映功率半導體器件底板與其他連接部分的接觸界面散熱材料的健康狀態(tài)，以及包含散熱器的功率半導體器件-散熱器接觸界面及散熱器自身的健康狀態(tài)；對于不含散熱器的功率半導體器件，隨著底板與其他連接部分的接觸界面散熱材料的老化程度逐漸嚴重，低頻段熱阻抗特征頻率逐漸下降；對于風冷散熱以及具有導熱硅脂接觸的功率半導體器件，隨著散熱器或?qū)峁柚匣潭戎饾u嚴重，低頻段熱阻抗特征頻率逐漸下降；對于沒有導熱硅脂，采用風冷、液冷散熱或直接接觸散熱介質(zhì)的功率半導體器件，隨著散熱器健康狀態(tài)下降，低頻段熱阻抗特征頻率也隨之下降；

所述中頻段熱阻抗特征頻率，反映功率半導體器件內(nèi)部覆銅陶瓷基板及底板焊料層健康狀態(tài)，隨著底板焊料層老化程度逐漸嚴重，中頻段熱阻抗特征頻率逐漸上升；

所述高頻段熱阻抗特征頻率，反映功率半導體器件芯片及其芯片焊料層健康狀態(tài)，隨著芯片及芯片焊料層老化程度逐漸嚴重，高頻段熱阻抗特征頻率逐漸下降。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于熱阻抗特征頻率的功率半導體器件健康狀態(tài)評估方法，其特征在于，所述功率半導體器件包括：

-硅基和非硅基的IGBT、MOSFET、晶體管、晶閘管、二極管中任一種；

-采用單管、焊接或壓接型模塊的封裝形式中功率半導體器件的任一種，其中壓接型模塊包含有銅基板和無銅基板中任一種；

-采用包括風冷和液冷散熱器的功率半導體器件中任一種。

3.根據(jù)權利要求1所述的基于熱阻抗特征頻率的功率半導體器件健康狀態(tài)評估方法，其特征在于，所述提取功率半導體器件的熱阻抗特征頻率，采用以下任一種方法：

-通過獲取所述功率半導體器件在損耗變化時的熱流曲線，提取出功率半導體器件或功率半導體器件及其散熱器的熱阻抗特征頻率；

-通過獲取功率半導體器件在損耗變化時的結(jié)、殼、散熱器溫度曲線，提取出功率半導體器件或功率半導體器件及其散熱器的熱阻抗特征頻率；

-通過獲取功率半導體器件在損耗變化時的熱流曲線以及結(jié)、殼、散熱器溫度曲線，提取出功率半導體器件或功率半導體器件及其散熱器的熱阻抗特征頻率，其中，結(jié)、殼、散熱溫度曲線用于確認特征頻率的范圍，熱流曲線用于確認特征頻率的大小。

4.根據(jù)權利要求3所述的基于熱阻抗特征頻率的功率半導體器件健康狀態(tài)評估方法，其特征在于，所述通過獲取功率半導體器件在損耗變化時的結(jié)、殼、散熱器溫度曲線，提取出功率半導體器件或功率半導體器件及其散熱器的熱阻抗特征頻率，包括：

記錄結(jié)溫、殼溫時域階躍響應以及階躍損耗的大小；

計算結(jié)-殼熱阻抗，并用m階Foster網(wǎng)絡擬合，將時域表達的熱阻抗轉(zhuǎn)化為頻域下的熱阻抗通過s＝2πf·j，f＝10^x的關系，即將復頻率s用2πj·10^x替代，再對其求二階導，得到圖形函數(shù)D(x)：

找出圖形函數(shù)D(x)在有效區(qū)間內(nèi)的極小值點即對應熱阻抗特征頻率，其中，j為虛數(shù)單位；x為與特征頻率f所對應的變量。