CN103809098A - 一种检测igbt功率器件可靠性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测IGBT功率器件可靠性的系统和方法，属于IGBT功率器件的显微红外检测领域。该方法包括：测量IGBT功率器件在不同栅压下漏压值和漏电流值，计算得到IGBT功率器件的直流稳态功率；通过显微红外热像设备检测IGBT功率器件的峰值结温，得到IGBT功率器件的峰值结温值和显微红外热像图；通过数学拟合方法分别得到峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系；对显微红外热像图进行分析，得到IGBT功率器件的可靠性的检测结果。本发明通过对比不同结构和材料器件的显微红外热像图，对器件的材料、结构和工艺进行有效评估，进而实现了IGBT功率内匹配器件的初步评价。

Description

一种检测IGBT功率器件可靠性的系统和方法

技术领域

本发明属于IGBT功率器件的显微红外检测领域，特别涉及一种检测IGBT功率器件可靠性的系统和方法。

背景技术

红外扫描法，是用红外探测器来检测器件的辐射能量密度分布，由此可以较准确的测定器件的峰值温度及其失效位置，从而推算峰值热阻。稳态显微红外测试，指的是被测件达到稳定状态时，用显微红外测试系统对其进行测量，从而得到被测件的高分辨率显微红外分布图像。稳态显微红外测试是微波器件热分析、热设计的有效手段，特别对于测量器件峰值温度，计算器件热阻、探测热斑和进行失效分析有着至关重要的作用。

器件结温是衡量IGBT功率器件热可靠性的主要因素之一。因此，在器件设计中，准确测定结温就很重要。但是，由于器件热阻不是一个恒量，而是随结温的提高相应变大。在测定器件热阻过程中，只有器件处于工作状态，测得的结温才是严格有效的。

器件的结温不仅与器件的热响应时间紧密相关，而且还要受器件上的功率分配及热斑所限制。热斑的存在使其功率下降，在估计器件失效前平均时间中更为重要的是热斑，因为在最热的点上失效最容易发生。

由于器件内部电流的不均匀造成温度分布的不均匀，而温度梯度的存在将更促使电流集中，形成正反馈效应。大功率场效应晶体管由于具有较大的电极面积，不可避免的存在器件结构以及外延材料的不均匀性，正是这种不均匀性，使得在平行于异质结平面的方向产生温度梯度和电场梯度，出现电流不均匀和热流不均匀，形成显著的局部过热点（热斑）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种检测IGBT功率器件可靠性的系统和方法，解决了现有技术中由于电流不均匀和热流不均匀导致对IGBT器件可靠性检测不准确的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种检测IGBT功率器件可靠性的系统，包括直流稳态功率模块、峰值热阻模块、直流稳态功率关系模块和分析可靠性模块；

其中，所述直流稳态功率模块用于，测量IGBT功率器件在不同栅压下漏压值和漏电流值，计算得到所述IGBT功率器件的直流稳态功率；

所述峰值热阻模块用于，检测所述IGBT功率器件的峰值结温，得到所述IGBT功率器件的峰值结温值和显微红外热像图，根据所述峰值结温值，计算得到所述IGBT功率器件的峰值热阻；

所述直流稳态功率关系模块用于，根据所述IGBT功率器件的直流稳态功率、所述峰值结温和所述峰值热阻，通过数学拟合方法分别得到峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系；

所述分析可靠性模块用于，根据峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系，对所述显微红外热像图进行分析，得到所述IGBT功率器件的可靠性的检测结果。

一种检测IGBT功率器件可靠性的方法，包括如下步骤：

测量IGBT功率器件在不同栅压下漏压值和漏电流值，计算得到所述IGBT功率器件的直流稳态功率；

通过显微红外热像设备检测所述IGBT功率器件的峰值结温，得到所述IGBT功率器件的峰值结温值和显微红外热像图，根据所述峰值结温值，计算得到所述IGBT功率器件的峰值热阻；

根据所述IGBT功率器件的直流稳态功率、所述峰值结温和所述峰值热阻，通过数学拟合方法分别得到峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系；

根据峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系，对所述显微红外热像图进行分析，得到所述IGBT功率器件的可靠性的检测结果。

进一步地，通过显微红外热像设备检测所述IGBT功率器件的峰值结温的方法包括如下：

通过所述显微红外热像设备检测该所述IGBT功率器件芯片的辐射能量密度分布，将所述辐射能量密度分布换转换成所述IGBT功率器件的表面各点的温度值，得到所述峰值结温。

进一步地，所述计算得到IGBT功率器件的峰值热阻的方法如式（1）所示：

Tj=P*Rth(j-c)+Tc           （1）

式中，Tj为峰值热阻，单位为℃/W；P为直流稳态功率，单位为W；Rth(j-c)为IGBT功率器件的结温与环境温度的热阻，单位为℃/W；Tc为IGBT功率器件的基板温度，单位为℃。

进一步地，所述对显微红外热像图进行分析的方法包括如下步骤：

根据所述IGBT功率器件的外延材料、所述IGBT功率器件的器件结构、所述峰值结温与直流稳态功率的关系和所述峰值热阻与直流稳态功率的关系，对所述显微红外热像图的热斑进行分析，判断所述IGBT功率器件的可靠性。

本发明提供的检测IGBT功率器件可靠性的系统和方法，采用显微红外的测量方法，获得不同衬底材料和器件的显微红外热像图，从而得到器件在不同基板温度和偏置条件下（相应的工作电压和工作电流）的峰值结温，进而得到该器件的热阻，通过对比不同结构和材料器件的显微红外热像图和热阻的大小，在获得器件的峰值结温与显微红外热像图的基础上，确定IGBT功率器件的热阻大小，通过对比不同结构和材料器件的显微红外热像图，对器件的材料、结构和工艺进行有效评估，进而实现了IGBT功率内匹配器件的初步评价。

附图说明

图1为本发明实施例提供的检测IGBT功率器件可靠性的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的器件A的结温测量显微红外图；

图3为本发明实施例提供的器件C的结温测量显微红外图；

图4为本发明实施例提供的器件B的结温测量显微红外图；

图5为本发明实施例提供的器件B的结温分布图；

图6为本发明实施例提供的器件A的结温分布图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种检测IGBT功率器件可靠性的系统，包括直流稳态功率模块、峰值热阻模块、直流稳态功率关系模块和分析可靠性模块；

其中，直流稳态功率模块用于，测量IGBT功率器件在不同栅压下漏压值和漏电流值，计算得到IGBT功率器件的直流稳态功率；

峰值热阻模块用于，检测IGBT功率器件的峰值结温，得到IGBT功率器件的峰值结温值和显微红外热像图，根据峰值结温值，计算得到IGBT功率器件的峰值热阻；

直流稳态功率关系模块用于，根据IGBT功率器件的直流稳态功率、峰值结温和峰值热阻，通过数学拟合方法分别得到峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系；

分析可靠性模块用于，根据峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系，对显微红外热像图进行分析，得到IGBT功率器件的可靠性的检测结果。

参见图2，本发明实施例提供的一种检测IGBT功率器件可靠性的方法，包括如下步骤：

步骤101：测量IGBT功率器件在不同栅压下漏压值和漏电流值，计算得到IGBT功率器件的直流稳态功率；

步骤102：通过显微红外热像设备检测IGBT功率器件的峰值结温，得到IGBT功率器件的峰值结温值和显微红外热像图，根据峰值结温值，计算得到IGBT功率器件的峰值热阻；

步骤103：根据IGBT功率器件的直流稳态功率、峰值结温和峰值热阻，通过数学拟合方法分别得到峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系；

步骤104：根据峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系，对显微红外热像图进行分析，得到IGBT功率器件的可靠性的检测结果。

本发明实施例提供了一种具体检测IGBT功率器件可靠性的方法，具体如下：

步骤201：采用直流电源对被测IGBT功率器件进行直流特性的测量，得到被测IGBT功率器件在不同的栅压下漏压和漏电流的大小，计算得到IGBT功率器件的直流稳态功率；

步骤202：通过显微红外热像仪检测IGBT功率器件的峰值结温，得到IGBT功率器件的峰值结温值和显微红外热像图，根据峰值结温值，计算得到IGBT功率器件的峰值热阻；

其中，通过显微红外热像仪检测IGBT功率器件的峰值结温的方法包括如下：

通过显微红外热像仪检测该IGBT功率器件芯片的辐射能量密度分布，将辐射能量密度分布换转换成IGBT功率器件的表面各点的温度值，得到峰值结温。

其中，计算得到IGBT功率器件的峰值热阻的方法如式（1）所示：

Tj=P*Rth(j-c)+Tc             （1）

式中，Tj为峰值热阻，单位为℃/W；P为直流稳态功率，单位为W；Rth(j-c)为IGBT功率器件的结温与环境温度的热阻，单位为℃/W；Tc为IGBT功率器件的基板温度，单位为℃。

步骤203：根据IGBT功率器件的直流稳态功率、峰值结温和峰值热阻，通过数学拟合方法分别得到峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系；

步骤204：根据峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系，对显微红外热像图进行分析，得到IGBT功率器件的可靠性的检测结果。

其中，对显微红外热像图进行分析的方法包括如下步骤：

根据IGBT功率器件的外延材料、IGBT功率器件的器件结构、峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系，对显微红外热像图的热斑进行分析，判断所述IGBT功率器件的可靠性。

在本发明实施例中，环境温度为70℃，在三种器件，分别为器件A、器件B和器件C，对于不同外延材料以及不同器件结构的器件，在不同的偏置条件下测量器件的峰值结温，具体见表一。器件A与器件B结构相同，材料不同。器件A与器件C材料相同，结构不同。

表1不同的偏置条件下测量器件的峰值结温表

其中给出不同外延材料以及不同器件结构的器件所加的偏置条件。通过显微红外设备上专有软件采集数据，获得不同外延材料以及不同器件结构的器件的显微红外热像图。

参见图1、图2和图3，对具有相同材料的如图1所示器件A与如图2所示器件C的结构进行对比。发现器件C（热阻值为6.9℃/W）的源漏间距比器件A（热阻值为8-9℃/W）的源漏间距大。说明器件的源漏间距对热阻值有一定影响。

分析器件的显微红外热像图，即由器件的显微红外热像图，从器件的结温分布来看，图4所示器件B的结温分布，可以发现很明显热斑存在。正常的红外测量结果，应该是热均匀分布的器件上。

从显微红外测试结果来看，即图5器件B的显微红外来看，器件的温度分布不均，局部温度过高。这个分析认为可能与器件减薄有关，器件不平导致器件局部温度过高；也可能是封装中接触部分不充分导致的局部温度过高。

在本发明中，由于IGBT功率器件是温度敏感器件，随结温增加器件的特性参数将有很大的变化。而且热敏参数变化大的器件，往往是由内部潜在缺陷的早期失效器件。在短时间内对器件施加超稳态功率，使器件结温迅速接近或达到最高允许结温，结温检测，是寻求功率和结温对应关系的良好途径。

IGBT功率器件稳态工作寿命试验大都是在一定的壳温和相应最大额定功率的条件下进行。通过式（1），可以得到不同结构器件相对应的峰值热阻。峰值结温的测量是拟定高可靠器件筛选应力的前提，器件筛选对于剔除早期失效的器件或剔除有隐患的器件，反映器件在一定功率工作下的实际可靠性特征，从而实现对器件热可靠性的有效评价。

器件的热阻随直流稳态功率的波动，通常热阻波动越大，器件热可靠性越低。同时器件热阻不是常数，主要随温度而变化。估算不同结温下的热阻值，通过红外测量器件的热阻，得到热阻随结温的变化率，可以较为准确的预测出器件的可靠程度。由此可见显微红外测量的方法可以作为衡量器件热可靠性的重要表征手段。

本发明实施例提供的一种检测IGBT功率器件可靠性的方法，其有益效果如下：

I、本发明提供的测量IGBT功率器件可靠性的方法，首先采用显微红外的测量方法，获得不同衬底材料和器件的显微红外热像图，从而得到器件在不同基板温度和偏置条件下（相应的工作电压和工作电流）的峰值结温，进而得到该器件的热阻，通过对比不同结构和材料器件的显微红外热像图和热阻的大小，器件结温分布的均匀性，进行器件的材料、工艺和器件结构优劣的评价。

2、本发明提供的测量IGBT功率器件可靠性的方法，是一种有效进行IGBT功率器件热可靠性表征的方法，该方法采用一种简易可操作的方法实现了对IGBT功率器件可靠性的初步评估。

3、本发明提供的测量IGBT功率器件热可靠性的方法，在获得器件的峰值结温与显微红外热像图的基础上，确定IGBT功率器件的热阻大小，通过对比不同结构和材料器件的显微红外热像图，对器件的材料、结构和工艺进行有效评估，进而实现了IGBT功率内匹配器件的初步评价。

4、本发明提供的测量IGBT功率器件热可靠性的方法，创新性的提出了一种测量IGBT器件显微红外热像图，确定器件材料、工艺和器件结构中的薄弱环节，给出优化方向，实现了对IGBT功率器件热可靠性有效评估的方法，无论对于器件的结构优化还是器件工艺的改进都具有重要的指导意义。

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 (5)

1.一种检测IGBT功率器件可靠性的系统，其特征在于，包括直流稳态功率模块、峰值热阻模块、直流稳态功率关系模块和分析可靠性模块；

其中，所述直流稳态功率模块用于，测量IGBT功率器件在不同栅压下漏压值和漏电流值，计算得到所述IGBT功率器件的直流稳态功率；

所述峰值热阻模块用于，检测所述IGBT功率器件的峰值结温，得到所述IGBT功率器件的峰值结温值和显微红外热像图，根据所述峰值结温值，计算得到所述IGBT功率器件的峰值热阻；

所述直流稳态功率关系模块用于，根据所述IGBT功率器件的直流稳态功率、所述峰值结温和所述峰值热阻，通过数学拟合方法分别得到峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系；

所述分析可靠性模块用于，根据峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系，对所述显微红外热像图进行分析，得到所述IGBT功率器件的可靠性的检测结果。

2.一种检测IGBT功率器件可靠性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

测量IGBT功率器件在不同栅压下漏压值和漏电流值，计算得到所述IGBT功率器件的直流稳态功率；

检测所述IGBT功率器件的峰值结温，得到所述IGBT功率器件的峰值结温值和显微红外热像图，根据所述峰值结温值，计算得到所述IGBT功率器件的峰值热阻；

根据所述IGBT功率器件的直流稳态功率、所述峰值结温和所述峰值热阻，通过数学拟合方法分别得到峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系；

根据峰值结温与直流稳态功率的关系和峰值热阻与直流稳态功率的关系，对所述显微红外热像图进行分析，得到所述IGBT功率器件的可靠性的检测结果。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述检测所述IGBT功率器件的峰值结温的方法包括如下：

通过所述显微红外热像设备检测该所述IGBT功率器件芯片的辐射能量密度分布，将所述辐射能量密度分布换转换成所述IGBT功率器件的表面各点的温度值，得到所述峰值结温。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算得到IGBT功率器件的峰值热阻的方法如式（1）所示：

Tj=P*Rth(j-c)+Tc              （1）

式中，Tj为峰值热阻，单位为℃/W；P为直流稳态功率，单位为W；Rth(j-c)为IGBT功率器件的结温与环境温度的热阻，单位为℃/W；Tc为IGBT功率器件的基板温度，单位为℃。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对显微红外热像图进行分析的方法包括如下步骤：

根据所述IGBT功率器件的外延材料、所述IGBT功率器件的器件结构、所述峰值结温与直流稳态功率的关系和所述峰值热阻与直流稳态功率的关系，对所述显微红外热像图的热斑进行分析，判断所述IGBT功率器件的可靠性。

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