一種在線測(cè)量igbt模塊瞬態(tài)熱阻的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種在線測(cè)量IGBT模塊瞬態(tài)熱阻的方法和裝置，解決了IGBT模塊的瞬態(tài)熱阻表征方法缺失、測(cè)量精度低、無法在線測(cè)量的問題。該方法和裝置以IGBT芯片的門極-發(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)測(cè)試電路和系統(tǒng)，達(dá)到測(cè)試系統(tǒng)的小型化、高精度和高穩(wěn)定性。本發(fā)明裝置包括：K值校準(zhǔn)爐、靜止空氣測(cè)試箱、測(cè)試電路板、恒溫測(cè)試平臺(tái)、水冷散熱系統(tǒng)、可編程直流電源、電流表、示波器、計(jì)算機(jī)、LabVIEW數(shù)據(jù)采集及自動(dòng)處理系統(tǒng)等。依據(jù)熱時(shí)間常數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算，通過改變脈沖通電時(shí)間，可在線快速測(cè)量IGBT模塊中任意層材料及界面的瞬態(tài)熱阻，測(cè)量誤差可控制在0.8％以內(nèi)，滿足對(duì)IGBT模塊產(chǎn)品瞬態(tài)熱阻的檢測(cè)需求。
【專利說明】一種在線測(cè)量IGBT模塊瞬態(tài)熱阻的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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，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)】
[0002] 近年來，IGBT模塊趨于集成化和微型化，被越來越廣泛應(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，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?，F(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/°C，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】

[0003] 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)熱阻的問題， 提供了一種在線測(cè)量，方便快捷，操作簡單，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\E與的K系數(shù)約為10mV/°C，具有較高的精度，根據(jù) 熱時(shí)間常數(shù)t，控制脈沖通電時(shí)間tH =t，一可精確至微秒級(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。
[0004] 本發(fā)明方法通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0005] -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。
[0006] 所述K值校準(zhǔn)爐，用來校準(zhǔn)門極-發(fā)射極電壓^與結(jié)溫的K系數(shù)值，使用的校 準(zhǔn)溫度范圍為20?125°C，校準(zhǔn)溫度間隔為5°C，在校準(zhǔn)溫度下的保溫時(shí)間為lOmin;
[0007] 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M0SFET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，M0SFET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I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。
[0008]所述恒溫測(cè)試平臺(tái)，其溫度范圍為0?100°C，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。
[0009] 所述錯(cuò)合金板尺寸為30cmX25cmX2cm，銅管直徑為2cm.
[0010] 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。
[0011] 所述可編程直流電源，用來給IGBT模塊提供加熱電壓VH，其輸出功率達(dá)160W，瞬 態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于50uS;電流表用來監(jiān)測(cè)加熱電流IH，其測(cè)量速度達(dá)lOKrdgs/s，準(zhǔn)確測(cè)量出 IGBT模塊開關(guān)瞬間的電流變化。
[0012] 所述示波器，在線監(jiān)測(cè)經(jīng)緩沖電路輸出的Va波形，示波器具有較大的模擬帶寬、 采樣率和記錄長度；Va波形由示波器經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，利用LabVIEW對(duì)Va數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理，得到瞬態(tài)熱阻值。
[0013] 本發(fā)明在線測(cè)量IGBT模塊中各層材料及材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的方法，步驟 如下：
[0014] 1).將IGBT模塊的門極，發(fā)射極和集電極端子與電路板連接，用導(dǎo)熱膠將被測(cè)模 塊接觸放置在恒溫測(cè)試平臺(tái)上，設(shè)置平臺(tái)溫度為;
[0015] 2).保持與測(cè)量K系數(shù)時(shí)相同的IM，通過可編程直流電源設(shè)定脈沖功率IGBT 加熱，其中脈沖功率PH等于脈沖電壓VH和脈沖電流IH(IH>1000IM)的乘積，通過計(jì)算機(jī)設(shè)定 脈沖通電時(shí)間tH和占空比D，在示波器上對(duì)IGBT輸出的VeE波形進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并經(jīng)數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)采集加熱脈沖前、后的門極-發(fā)射極電壓\E^和f，得到熱敏參數(shù)差值△ =V& 「Vge-f ;
[0016] 3).執(zhí)行測(cè)量程序，測(cè)得IM、IH、VH、tH及D下的溫升為：ATj=AVeE/K;測(cè)得瞬態(tài) 熱阻為：

【權(quán)利要求】
1. 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，其特征是： 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。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述K值校準(zhǔn)爐，用來校準(zhǔn)門極-發(fā)射極電壓 VeE與結(jié)溫?\的K系數(shù)值，使用的校準(zhǔn)溫度范圍為20?125°C，校準(zhǔn)溫度間隔為5°C，在校準(zhǔn) 溫度下的保溫時(shí)間為l〇min。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述測(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VeE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。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述恒溫測(cè)試平臺(tái)，其溫度范圍為O?KKTC， 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。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是所述鋁合金板尺寸為30cmX25cmX2cm，銅管直 徑為2cm。
6. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述靜止空氣測(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。
7. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述可編程直流電源，用來給IGBT模塊提供加 熱電壓Vh，其輸出功率達(dá)160W，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于50uS;電流表用來監(jiān)測(cè)加熱電流Ih，其測(cè) 量速度達(dá)lOKrdgs/s，準(zhǔn)確測(cè)量出IGBT模塊開關(guān)瞬間的電流變化。
8. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述示波器，在線監(jiān)測(cè)經(jīng)緩沖電路輸出的 形，示波器具有較大的模擬帶寬、采樣率和記錄長度；VeE波形由示波器經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳 輸?shù)接?jì)算機(jī)，利用LabVIEW對(duì)VeE數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到瞬態(tài)熱阻值。
9. 在線測(cè)量IGBT模塊中各層材料及材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的方法，步驟如下： 1) .將IGBT模塊的門極，發(fā)射極和集電極端子與電路板連接，用導(dǎo)熱膠將被測(cè)模塊接 觸放置在恒溫測(cè)試平臺(tái)上，設(shè)置平臺(tái)溫度為T1 ; 2) .保持與測(cè)量K系數(shù)時(shí)相同的IM，通過可編程直流電源設(shè)定脈沖功率IGBT加 熱，其中脈沖功率Ph等于脈沖電壓Vh和脈沖電流Ih(IH>1000IM)的乘積，通過計(jì)算機(jī)設(shè)定脈 沖通電時(shí)間tH和占空比D，在示波器上對(duì)IGBT輸出的VeE波形進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)采集加熱脈沖前、后的門極-發(fā)射極電壓VeE^和VeEf，得到熱敏參數(shù)差值△VeE =VeE 「Vge-f; 3) .執(zhí)行測(cè)量程序，測(cè)得IM、IH、VH、tH及D下的溫升為：ΛTt =ΛVeE/K;測(cè)得瞬態(tài)熱阻 為：
4).基于一維熱傳導(dǎo)原理，計(jì)算出連接層的熱時(shí)間常數(shù)τ=pd2CpA，其中，p、d、Cp 和λ分別為材料的密度、厚度、比熱容和熱導(dǎo)率，使脈沖通電時(shí)間tH=τ，即可得到模塊中 連接層材料的瞬態(tài)熱阻，計(jì)算出各層材料和界面的熱時(shí)間常數(shù)τ，改變tH，即可得到模塊中 各層材料和界面的瞬態(tài)熱阻曲線。
10. 如權(quán)利要求10所述的方法，其特征是所述的被測(cè)模塊K系數(shù)值的方法： I.將IGBT模塊放置在K值校準(zhǔn)爐內(nèi)，設(shè)置校準(zhǔn)爐的溫度，從20°C升溫至125°C，升溫間 隔為5°C，每個(gè)溫度保溫lOmin，保證IGBT模塊的結(jié)溫Tt與爐溫相同；
11. 設(shè)置測(cè)試電流IM，Im取值范圍為2?4mA，采集IGBT模塊在不同Im下的VeE波形， 得到VeE與結(jié)溫Tt的關(guān)系曲線； III.對(duì)溫度Tt及電壓VeE進(jìn)行最小二乘法計(jì)算，得到K系數(shù)值：Κ=ΛVeE/Λ1\。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK104458799SQ201410699863
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】梅云輝, 王美玉, 陸國權(quán), 李欣, 王磊 申請(qǐng)人:天津大學(xué)