CN103808756A - 一种测量igbt稳态热阻值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量IGBT稳态热阻值的方法，属于IGBT技术领域。其方法包括：将IGBT器件的正面开帽，完全露出IGBT器件的芯片表面；将IGBT器件固定在带有小孔的散热片上；在小孔中插入热偶，使热偶的一端与IGBT器件的背面的外壳接触，热偶的另一端连接测试设备；根据施加电压的电压值，管壳温度、表面温度和环境温度，分别计算得到IGBT器件的结壳热阻值和结到环境的热阻值。本发明热红外镜头里面的光电传感器将光信号转变为电信号，以监测待测器件的芯片的表面温度，通过热平衡状态后芯片表面的温度分布来对芯片进行改进，能节省测试时间。

Description

一种测量IGBT稳态热阻值的方法

技术领域

本发明属于IGBT技术领域，特别涉及一种测量IGBT稳态热阻值的方法。

背景技术

IGBT主要应用于电力电子领域，在大功率下工作时一般会产生大量的热，这将直接影响器件的温升和热应力，导致其工作寿命缩短，同时对周围的器件也产生影响。使得周围有些设备、组件和元器件在较高温度下不能正常工作。IGBT的温升和热阻是影响其寿命，评估其可靠性的重要参数之一。

出现无线电波与可见光之间的区域。其中波长为0.78～1.5μm的部分称为近红外，波长为1.5～10μm的部分称为中红外，波长为10～1000μm的部分称为远红外线。而波长为2.0～1000μm的部分，也称为热红外线。任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大;反之，辐射的能量愈小。在自然界中，一切物体都会辐射红外线，利用探测器测定目标本身和背景之间的红外辐射能量差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。利用这一特性，将器件表面发出的红外辐射通过适当的光学方法聚焦到红外光电探测器上，此时会在探测器上产生一个与这块面积上的红外辐射成比例的小电压，而它又与器件温度成比例。红外探测器就是将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地使用电信号模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形成热图像视频信号，传至显示屏幕上，就得到与物体表面热分布相对应的热像图，即热红外图像。

现有技术中，一般使用电学方法测试IGBT的结温来计算热阻，现有电学方法测试IGBT结温的前提是假设器件在大电流下导通时，里面的IGBT芯片各处温度都相等，由脉冲检测电流IF测得正向压降VF来推断芯片的结温。但器件在实际工作过程中，芯片各处温度并不相等，电流密度大的地方温度高，电流密度低的地方温度低。用这种方法求得的结温实际是一个平均温度，并不能反应整个芯片的温度分布。它得到的PN结的温度总是比实际的最高结温低。对于任何一种IGBT，它在应用时都会有一个最高结温，超过这个温度点，该器件就无法正常工作，低于这个温度点，器件才能正常使用。任何一种IGBT也会有一个最大的工作功率，超过这个工作功率，IGBT将会失效。由电学方法测得结温，比实际的最高结温低，计算出最大工作功率比器件实际的允许的最大工作功率更高。当器件上施加使用电学方法计算得到的最大工作功率时，会出现烧毁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量IGBT稳态热阻值的方法，解决了现有技术中通过电学方法，根据IGBT测量结温，导致其结温分布不均匀的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种测量IGBT稳态热阻值的方法，包括如下步骤：

将IGBT器件的正面开帽，完全露出所述IGBT器件的芯片表面；

将所述IGBT器件固定在带有小孔的散热片上，所述小孔在所述IGBT器件的芯片的正下方；

在所述小孔中插入热偶，使所述热偶的一端与所述IGBT器件的背面的外壳接触，所述热偶的另一端连接测试设备；

对所述IGBT器件的施加电压，所述测试设备监测所述IGBT器件的壳温，得到所述管壳温度，用温度测量设备测量所述IGBT器件的周围温度，得到环境温度，根据热红外探测设备得到所述IGBT器件的表面温度；

根据所述施加电压的电压值，所述管壳温度、所述表面温度和所述环境温度，分别计算得到所述IGBT器件的结壳热阻值和所述结到环境的热阻值。

进一步地，在将所述IGBT器件固定在所述带有小孔的散热片前，将所述IGBT器件的背面均匀涂上导热膏。

进一步地，所述得到IGBT器件的结壳热阻值的方法如式（1）所示：

R_jc=(T_j2-T_c2)/(I1*V1)       (1)

其中，R_jc为IGBT器件的结壳热阻值，单位为m2·K/W；T_j2为表面温度，单位为摄氏度；T_c2为管壳温度，单位为摄氏度，I1为电流值，单位为安培，V1为电压值，单位为伏特。

进一步地，所述得到IGBT器件的结到环境的热阻值如式（2）所示：

R_jr=(T_j2-T_r2)/(I1*V1)       (2)

其中，R_jr为IGBT器件的结到环境的热阻值，单位为m2·K/W；T_j2为表面温度，单位为摄氏度；T_r2为环境温度，单位为摄氏度，I1为电流值，单位为安培，V1为电压值，单位为伏特。

本发明提供的测量IGBT稳态热阻值的方法，通过热红外探测设备得到IGBT器件的表面温度，热红外镜头里面的光电传感器将光信号转变为电信号，以监测待测器件的芯片的表面温度，通过热平衡状态后芯片表面的温度分布来对芯片进行改进，使得芯片温度分布变得更加均匀。并且热阻测试前不再需要测试K值，能节省测试时间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测量IGBT稳态热阻值的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的测量IGBT稳态热阻值的方法所用的测试流程图。

图3为本发明实施例提供的器件导通时的热分布图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种测量IGBT稳态热阻值的方法，包括如下步骤：

步骤101：将IGBT器件的正面开帽，完全露出IGBT器件的芯片表面；

步骤102：将IGBT器件固定在带有小孔的散热片上，小孔在IGBT器件的芯片的正下方；

步骤103：在小孔中插入热偶，使热偶的一端与IGBT器件的背面的外壳接触，所述热偶的另一端连接测试设备；

步骤104：对IGBT器件的施加电压，测试设备监测IGBT器件的壳温，得到管壳温度，用温度测量设备测量IGBT器件的周围温度，得到环境温度，根据热红外探测设备得到IGBT器件的表面温度；

步骤105：根据施加电压的电压值，管壳温度、表面温度和环境温度，分别计算得到IGBT器件的结壳热阻值和所述结到环境的热阻值。

其中，得到IGBT器件的结壳热阻值的方法如式（1）所示：

R_jc=(T_j2-T_c2)/(I1*V1)       (1)

其中，R_jc为IGBT器件的结壳热阻值，单位为℃/W；T_j2为表面温度，单位为摄氏度；T_c2为管壳温度，单位为摄氏度，I1为电流值，单位为安培，V1为电压值，单位为伏特；

得到IGBT器件的结到环境的热阻值如式（2）所示：

R_jr=(T_j2-T_r2)/(I1*V1)       (1)

其中，R_jr为IGBT器件的结到环境的热阻值，单位为℃/W；T_j2为表面温度，单位为摄氏度；T_r2为环境温度，单位为摄氏度，I1为电流值，单位为安培，V1为电压值，单位为伏特；

另外，在将IGBT器件固定在带有小孔的散热片前，将IGBT器件的背面均匀涂上导热膏。

具体方法如下：

参见图2，器件的栅源之间的电压源VGS可以给器件栅源两端提供电压使器件处于开启状态，器件漏源之间的电压源VDS可以给器件提供所需的大电压和大电流，使得器件结温不断上升。对于IGBT结到器件外壳的热阻R_jc测试：先将IGBT器件的正面开帽，完全露出待测IGBT器件的芯片表面。将已开帽的IGBT背面均匀涂上导热膏，并使其固定在带有小孔的大散热片上，小孔正处于IGBT芯片的正下方。在小孔中插入热偶，使热偶的一端接触待测器件背面的外壳，热偶另一端连接万用表或其他设备以监测IGBT的壳温。

用热红外探测镜头聚焦对准待测器件，热红外镜头通过将光信号转变为电信号，实时监测待测IGBT器件的表面温度，然后，将待测IGBT器件连接到电源上，并施加一定的直流电压V，器件会发热，芯片温度逐渐升高，最后达到热平衡状态。此时，读取并记录万用表测量的管壳温度，记录热红外探测设备得到IGBT器件的表面温度，用温度计测量IGBT器件的周围温度，得到环境温度；

根据施加电压的电压值，管壳温度、表面温度和环境温度，分别根据式（1）和式（2）计算得到IGBT器件的结壳热阻值和所述结到环境的热阻值。

在本发明实施例中，施加漏源之间的电压值为36V，电流为1.32A,，管壳温度为74.3℃、芯片表面最高温度为105.9℃，和环境温度为21.3℃，根据式（1）计算得到IGBT器件的结壳热阻值为0.665℃/W，根据式（2）由美国的稳态热阻测试系统phase11设备得到IGBT器件的结到环境的热阻值为0.835℃/W。影响热阻值因素很多，除了和器件结构有关，还与器件外壳涂抹的导热膏厚度、器件的散热系统、器件安装在散热台上时所受的压力、电压电流及温度测量精度等有关，不同的系统测出的值会有些区别，但从目前两者的测试结果已经比较接近。

与现有技术中通过电学方法测量IGBT稳态热阻值的方法相比，本发明实施例提供的测量IGBT稳态热阻值的方法，可以通过得到的热阻值反推出器件导通时的最高结温，电学方法只能反推出器件导通时的平均结温，而IGBT应用时更关心其最高结温。其次，热红外测试方法不需要先求出器件的k系数，减少了将近4小时的测试时间，大大提高了效率。最后，热红外测试方法不仅能得到热阻值，而且能得到器件导通时的热分布图，如图3所示：最白亮的地方是芯片温度最高处，从芯片中心到边缘，器件温度逐渐降低；通过这张图可以优化设计，使得器件导通时温度分布更均匀，提高器件的可靠性。

本发明实施例提供的测量IGBT结壳热阻值到结到环境的热阻值的方法，通过热红外探测设备得到IGBT器件的表面温度，热红外镜头里面的光电传感器将光信号转变为电信号，以监测待测器件的芯片的表面温度，通过热平衡状态后芯片表面的温度分布来对芯片进行改进，使得芯片温度分布变得更加均匀。并且热阻测试前不再需要测试K值，能节省测试时间。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种测量IGBT稳态热阻值的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将IGBT器件的正面开帽，完全露出所述IGBT器件的芯片表面；

将所述IGBT器件固定在带有小孔的散热片上，所述小孔在所述IGBT器件的芯片的正下方；

在所述小孔中插入热偶，使所述热偶的一端与所述IGBT器件的背面的外壳接触，所述热偶的另一端连接测试设备；

对所述IGBT器件的施加电压，所述测试设备监测所述IGBT器件的壳温，得到所述管壳温度，用温度测量设备测量所述IGBT器件的周围温度，得到环境温度，根据热红外探测设备得到所述IGBT器件的表面温度；

根据所述施加电压的电压值，所述管壳温度、所述表面温度和所述环境温度，分别计算得到所述IGBT器件的结壳热阻值和所述结到环境的热阻值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述IGBT器件固定在所述带有小孔的散热片前，将所述IGBT器件的背面均匀涂上导热膏。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到IGBT器件的结壳热阻值的方法如式（1）所示：

R_jc=(T_j2-T_c2)/(I1*V1)      (1)

其中，R_jc为IGBT器件的结壳热阻值，单位为m2·K/W；T_j2为表面温度，单位为摄氏度；T_c2为管壳温度，单位为摄氏度，I1为电流值，单位为安培，V1为电压值，单位为伏特。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到IGBT器件的结到环境的热阻值如式（2）所示：

R_jr=(T_j2-T_r2)/(I1*V1)       (2)

其中，R_jr为IGBT器件的结到环境的热阻值，单位为m2·K/W；T_j2为表面温度，单位为摄氏度；T_r2为环境温度，单位为摄氏度，I1为电流值，单位为安培，V1为电压值，单位为伏特。

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