CN103852483A - 一种igbt结壳热阻的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT结壳热阻的测量方法，包括：提供第一待测IGBT，第一待测IGBT包括：封装芯片、封装外壳和散热器；提供第二待测IGBT，第二待测IGBT包括：封装芯片、封装外壳、散热器以及位于封装外壳与散热器之间的导热层，其中，导热层的导热系数大于空气的导热系数；在相同的测量条件下，分别对第一待测IGBT和第二待测IGBT施加预设的加热功率，测得第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线；根据第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线，获得第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线；根据第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线，获得第一待测IGBT的结壳热阻，从而提高了所述结壳热阻测量结果的准确性。

Description

一种IGBT结壳热阻的测量方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种IGBT结壳热阻的测量方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT，是一种大功率的器件，工作时很容易产生大量的热，严重影响器件的性能。热阻值，即单位功率所引起的器件的温升（单位为K/W），是度量器件产热量的一个关键标准，尽可能的减小器件的热阻值，是增强器件可靠性，延长器件使用寿命的有效方法，因此，准确测量器件的热阻值非常重要。

在正常使用情况下，由于对于大功率的IGBT，往往都是加散热片的，因此，器件规格说明书汇总给出的热阻值一般为结壳热阻，即从器件的PN结到器件的封装外壳之间的热阻值。

然而，现有技术中测量IGBT结壳热阻值的方法准确性较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种IGBT结壳热阻的测量方法，以提高所述IGBT结壳热阻测量结果的准确性。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种IGBT结壳热阻的测量方法，包括：提供第一待测IGBT，所述第一待测IGBT包括：封装芯片、封装外壳和散热器；提供第二待测IGBT，所述第二待测IGBT包括：封装芯片、封装外壳、散热器以及位于所述封装外壳与散热器之间的导热层，其中，所述导热层的导热系数大于空气的导热系数；在相同的测量条件下，分别对所述第一待测IGBT和所述第二待测IGBT施加预设的加热功率，测得所述第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线；根据所述第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线，获得所述第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线；根据所述第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线，获得所述第一待测IGBT的结壳热阻。

优选的，所述结温曲线为升温曲线或降温曲线。

优选的，所述瞬态热阻抗曲线与所述结温曲线之间的关系式为：

$Z_{\mathrm{\θJC}}\left(t\right)=\±\frac{T_{J0}-T_J\left(t\right)}{\mathrm{\ΔP}};$

其中，ΔP表示预设的加热功率；T_J0表示初始结温；T_J(t)表示不同时刻结温；Z_θJC(t)表示相应的不同时刻的阻抗值。

优选的，所述温度曲线为升温曲线时，T_J0表示未施加预设的加热功率前的结温。

优选的，所述温度曲线为降温曲线时，T_J0表示撤出所述预设的加热功率时刻的结温。

优选的，在预设时间外，根据获得预设时间外不同时刻的结温；

其中，T_J(t)表示预设时间外不同时刻的结温；T′_J0表示撤出所述预设的加热功率预设时间时的结温。

优选的，所述预设时间为10μs-30μs。

优选的，在所述预设时间内，根据公式：

和T_J(t)=ΔT_J（t）+T′_J0，获得预设时间内不同时刻的结温；

其中，T_J(t)表示预设时间内不同时刻的结温；ΔT_J(t)表示预设时间内的结温变化；T′_J0表示撤出所述预设的加热功率预设时间时的结温；k表示封装芯片的材料常数；P表示预设的加热功率；A表示所述封装芯片的有效面积；t表示从撤除所述预设的加热功率时刻，到测量时刻的时间。

优选的，所述导热层在所述封装外壳与散热器之间均匀分布。

优选的，所述导热层的材料为导热硅脂或油。

优选的，所述导热层的厚度范围为30μm-50μm。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的技术方案，通过在相同测量条件下，分别测得所述第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线，由于所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的传热路径，在到达所述导热层之前完全相同，因此，在到达所述导热层之前，所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线完全重合；但是，当该传热路径到达所述导热层时，由于空气的导热系数小于所述导热层的系数，使得所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的传热路径发生变化，进而使得第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线发生分离，此分离点即对应所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT封装外壳的位置，因此，此分离点所对应的阻抗即为所述第一待测IGBT的结壳热阻。由此可见，本发明所提供的技术方案中，所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的测试条件完全相同，且不用测试所述第一待测IGBT的壳温，从而提高了所述结壳热阻测量结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面+描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供IGBT结壳热阻测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的第一待测IGBT的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的第二待测IGBT的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供IGBT结壳热阻测量方法的电路连接示意图；

图5为本发明实施例所提供的第一待测IGBT和第二待测IGBT的瞬态热阻抗曲线示意图，其中，曲线1为第一待测IGBT的瞬态热阻抗曲线，曲线2为第二待测IGBT的瞬态热阻抗曲线；

图6为本发明实施例所提供的第一待测IGBT和第二待测IGBT的结构函数曲线示意图，其中，曲线1为第一待测IGBT的结构函数曲线，曲线2为第二待测IGBT的结构函数曲线。

具体实施方式

现有技术中测量IGBT结壳热阻的方法主要为热偶法，包括：

步骤101：测得待测IGBT的温度系数α_Vce；

由于在小电流下，所述IGBT集电极-发射极之间的电压Vce随所述IGBT的结温呈线性变化，因此，步骤101包括：

首先，分别在两个不同温度T₁和T₂的恒温环境中测量该待测IGBT集电极-发射极之间的电压V_CE；

然后再利用公式：

α_Vce＝（V_CE1－V_CE2）/（T₂－T₁）（1）

计算所述待测IGBT的温度系数α_Vce。

步骤102：测得所述待测IGBT未施加加热功率前的初始结温T_J0；

步骤103：对所述待测IGBT施加一定的加热功率，测得加热前与加热后所述待测IGBT集电极-发射极之间的电压差ΔVce；

步骤104：利用公式：

$T_J=T_{J0}+\frac{\mathrm{\ΔVce}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Vce}}}---\left(2\right)$

计算所述待测IGBT加热后的结温；

步骤105：利用热偶测量所述待测IGBT施加所述加热功率后的壳温TC；

步骤106：利用公式：

$R_{\mathrm{th}-\mathrm{JC}}=\frac{T_J-T_C}{P}---\left(3\right)$

计算所述待测IGBT的结壳热阻。其中，T_J表示所述待测IGBT施加所述加热功率后的结温；T_C表示所述待测IGBT施加所述加热功率后的壳温；P表示施加在所述待测IGBT上的加热功率；R_th-JC表示所述待测IGBT的结壳热阻。

发明人研究发现，在对所述待测IGBT施加一定的加热功率后，所述待测IGBT芯片和封装外壳上，不同位置处的温度分布是不均匀的，而上述测量方法中的并没有对T_J和T_C分别具体是指的测量过程中PN结和封装外壳温度的最大值，还是平均值，抑或是测量过程中的任意一个值进行清楚的定义，从而导致上述测量方法测得的结壳热阻不准确。

而且，由于所述待测IGBT的封装外壳通常要与散热器相连，而利用热偶对所述封装外壳的壳温进行测量时，需要将该热偶放置在所述封装外壳与散热器之间，从而需要在散热器上设置放置该热偶的通孔，这将扭曲该封装外壳的温度场分布，使得所述壳温T_C的测量值不准确，进而进一步导致上述测量方法测得的结壳热阻不准确。

此外，上述测量方法也没有对T_C具体是指封装外壳的温度，还是散热器的温度，抑或是两者之间的一个温度进行清楚的定义，从而更进一步的导致上述测量方法测得的结壳热阻不准确。

有鉴于此，本发明提供了一种IGBT结壳热阻的测量方法，以提高所述IGBT结壳热阻测量结果的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示，本发明实施例所提供IGBT结壳热阻的测量方法包括：

步骤101：提供第一待测IGBT，如图2所示，所述第一待测IGBT包括：封装芯片1、封装外壳2和散热器3，且所述封装外壳2与所述散热器3直接接触，但是由于所述封装外壳2与所述散热器3之间只是简单安装，所述封装外壳2与所述散热器3之间存在空气；

步骤102：提供第二待测IGBT，如图3所示，所述第二待测IGBT包括：封装芯片4、封装外壳5、散热器6以及位于所述封装外壳5与散热器6之间的导热层7，其中，所述导热层7与所述封装外壳5与散热器6之间密封性较好，且所述导热层7的导热系数大于空气的导热系数；

在本发明的一个实施例中，为了进一步提高实验结果的准确性，所述导热层7在所述封装外壳5与散热器6之间均匀分布，且在保证所述封装外壳5与散热器6之间良好热接触的基础上，所述导热层7的厚度越薄越好，在本发明的一个实施例中，所述导热层7的厚度尽量薄，优选为30μm-50μm，但本发明对此并不做限定。

在本发明的另一个实施例中，为了使得所述第一待测IGBT与第二待测IGBT的实验结果对比更加明显，所述导热层7的材料优选为具有良好导热系数的材料，如导热硅脂或油，但本发明对此并不做限定。

步骤103：在相同的测量条件下，分别对所述第一待测IGBT和所述第二待测IGBT施加预设的加热功率，测得所述第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线；

在本发明的一个实施例中，所述结温曲线为升温曲线，步骤103包括：

步骤10311：确定第一待测IGBT和第二待测IGBT的初始结温。由于未施加加热功率前，所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT均未产生热量，且所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT在进行测试时一般放置在水冷散热器上，所以所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的初始结温和初始壳温均为散热器的温度，通常将其设置为18℃，用T_J0表示，即T_J0表示未施加预设的加热功率前的结温。

步骤10312：依照图4所示的电路连接示意图，将所述第一待测IGBT连接至测量电路中；

其中，DUT为第一待测IGBT；I_CC1和I_CC2为恒定电流源，分别为所述第一待测IGBT提供小的测试电流I_C1和加热电流I_C2，I_C为电流表；V_CE为电压表，V_CE用于测量测量过程中，所述第一待测IGBT集电极-发射极之间的电压；电压V_GE，用于为所述第一待测IGBT提供栅极-发射极之间的开启电压。

在本发明的一个实施例中，所述测试电流I_C1优选为10mA，所述加热电流I_C2优选为10A-20A，但本发明对此并不做限定。

步骤10313：关闭开关S，利用图4所示的测量电路，测得所述第一待测IGBT在不同时刻集电极-发射极的电压值V_CE；

步骤10314：利用公式

$T_J\left(t\right)=T_{J0}+\frac{\mathrm{\ΔVce}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Vce}}}---\left(2\right),$

获得所述第一待测IGBT的升温曲线；其中，T_J(t)表示所述第一待测IGBT不同时刻的结温；ΔVce为所述第一待测IGBT不同时刻的集电极-发射极之间的电压值；温度系数α_Vce的获得和现有技术中相同，这里不再详细赘述。

步骤10315：将图4中的DUT替换为第二待测IGBT，其实测试条件不变，利用步骤10313和步骤10314获得所述第二待测IGBT的升温曲线。

在本发明的另一个实施例中，所述结温曲线为降温曲线，步骤103包括：

步骤10321：依照图4所示的电路连接示意图，将所述第一待测IGBT连接至测量电路中；

其中，DUT为第一待测IGBT；I_CC1和I_CC2为恒定电流源，分别为所述第一待测IGBT提供小的测试电流I_C1和加热电流I_C2；I_C为电流表；V_CE为电压表，V_CE用于测量测量过程中，所述第一待测IGBT集电极-发射极之间的电压；电压V_GE，用于为所述第一待测IGBT提供栅极-发射极之间的开启电压。

在本发明的一个实施例中，所述测试电流I_C1优选为10mA，所述加热电流I_C2优选为10A-20A，但本发明对此并不做限定。

步骤10322：关闭开关S，利用测试电流I_C1和加热电流I_C2对所述第一待测IGBT进行加热，直至所述第一待测IGBT达到稳态，并利用所述电流表I_C和电压表V_CE测得所述待测IGBT的加热功率，即预设的加热功率。

在本发明的一个实施例中，将所述第一待测IGBT放置在水冷散热器的情况下，一般加热时间为100s时，即可使所述第一待测IGBT达到稳态。

步骤10323：所述第一待测IGBT达到稳态后，断开开关S，利用测试电流I_C1测量所述第一待测IGBT在不同时刻集电极-发射极的电压值V_CE，直至所述第一待测IGBT集电极-发射极的电压值V_CE不再变化。

步骤10324：利用公式

$T_J\left(t\right)=T_{J0}^{\′}+\frac{\mathrm{\ΔVce}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Vce}}}---\left(2\right)$

获得所述第一待测IGBT预设时间外的降温曲线；其中，T_J(t)表示所述第一待测IGBT预设时间外不同时刻的结温；T′_J0表示撤出所述预设的加热功率预设时间时的结温；ΔVce为所述第一待测IGBT不同时刻的集电极-发射极之间的电压值；温度系数α_Vce的获得和现有技术中相同，这里不再详细赘述。

需要说明的是，开关S断开后，由于不可避免的电学干扰，如电荷存储效应等，使得测试初始阶段所述第一待测IGBT集电极-发射极之间的电压并不随结温呈线性变化，因此，在利用上述公式获得所述第一待测IGBT的降温曲线时，必须舍弃预设时间内的测量值，因此，T′_J0表示撤出所述预设的加热功率预设时间时的结温。

在本发明的一个实施例中，所述预设时间优选为10μs-30μs。由于所述预设时间内的结温变化是不能忽略的，因此，在本发明的另一个实施例中，还包括步骤10325：根据公式：

$\mathrm{\Δ}{T}_J\left(t\right)=\frac{P}{A}k\sqrt{t}---\left(3\right)$

来获得所述第一待测IGBT预设时间内结温的变化量，

再根据TT_J(t)=T′_J0+ΔT_J(t)（4），

反推到刚撤掉加热功率时的结温T_J0，以及在预设时间内所述第一待测IGBT不同时刻的结温，获得预设时间内，所述第一待测IGBT不同时刻的降温曲线；

其中，T_J(t)表示不同时刻的结温；ΔT_J(t)表示预设时间内的结温变化；T′_J0表示撤出所述预设的加热功率预设时间时的结温；k表示封装芯片的材料常数；P表示预设的加热功率；A表示所述封装芯片的有效面积；t表示从撤除所述预设的加热功率时刻，到测量时刻的时间。

步骤10326：将图4中的DUT替换为第二待测IGBT，其实测试条件不变，利用步骤10321-步骤10325获得所述第二待测IGBT的降温曲线。

步骤104：根据所述第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线，获得所述第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线；

在本发明的一个实施例中，由于所述瞬态热阻抗曲线与所述结温曲线之间的关系式为：

$Z_{\mathrm{\θJC}}\left(t\right)=\frac{T_{J0}-T_J\left(t\right)}{\mathrm{\ΔP}}---\left(5\right);$

其中，ΔP表示预设的加热功率；T_J0表示初始结温；T_J(t)表示不同时刻的结温；Z_θJC(t)表示相应的不同时刻的阻抗值。

因此，利用该公式（5）可以根据所述第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线，将所述第一待测IGBT与第二待测IGBT不同时刻的结温，转换成对应时刻的阻挡，从而得到所述第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线，即热阻-时间曲线，如图5所示。

在本发明的另一个实施例中，根据所述第一待测IGBT和第二待测IGBT的结温曲线，可以获得所述第一待测IGBT和第二待测IGBT结构函数曲线，即热容-热阻曲线，如图6所示。由于其计算过程较为繁琐，且已为本领域技术人员所熟知，这里不再详细赘述。

步骤105：根据所述第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线，获得所述第一待测IGBT的结壳热阻。

如图5和图6所示，由于所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的传热路径，在到达所述导热层之前完全相同，因此，在到达所述导热层之前，所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线完全重合；但是，当所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的传热路径到达所述导热层时，由于空气的导热系数小于所述导热层的系数，使得所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的传热路径发生变化，进而使得第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线发生分离，此分离点即对应所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT封装外壳的位置，因此，此分离点所对应的阻抗即为所述第一待测IGBT的结壳热阻，从而使得本发明所提供的测量方法，可以直接从所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的瞬态热阻抗曲线图或结构函数曲线图中读出所述第一待测IGBT的结壳热阻。由此可见，本发明所提供的测量方法中，所述第一待测IGBT与所述第二待测IGBT的测试条件完全相同，既无需对所测得对T_J具体是指的测量过程中PN结的最大值，还是平均值，抑或是测量过程中的任意一个值进行清楚的定义，又不用测试所述第一待测IGBT的壳温，从而提高了所述结壳热阻测量结果的准确性。而且，本发明实施例所提供的测量方法重复性好。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种IGBT结壳热阻的测量方法，其特征在于，包括：

提供第一待测IGBT，所述第一待测IGBT包括：封装芯片和封装外壳；

提供第二待测IGBT，所述第二待测IGBT包括：封装芯片、封装外壳以及位于所述封装芯片与封装外壳之间的导热层，其中，所述导热层的导热系数大于空气的导热系数；

在相同的测量条件下，分别对所述第一待测IGBT和所述第二待测IGBT施加预设的加热功率，测得所述第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线；

根据所述第一待测IGBT和第二待测IGBT在该加热功率下的结温曲线，获得所述第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线；

根据所述第一待测IGBT和第二待测IGBT瞬态热阻抗曲线或结构函数曲线，获得所述第一待测IGBT的结壳热阻。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述结温曲线为升温曲线或降温曲线。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述瞬态热阻抗曲线与所述结温曲线之间的关系式为：

$Z_{\mathrm{\θJC}}\left(t\right)=\±\frac{T_{J0}-T_J\left(t\right)}{\mathrm{\ΔP}};$

其中，ΔP表示预设的加热功率；T_J0表示初始结温；T_J(t)表示不同时刻结温；Z_θJC(t)表示相应的不同时刻的阻抗值。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述温度曲线为升温曲线时，T_J0表示未施加预设的加热功率前的结温。

5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述温度曲线为降温曲线时，T_J0表示撤出所述预设的加热功率时刻的结温。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在预设时间外，根据 $T_J\left(t\right)=T_{J0}^{\′}+\frac{\mathrm{\ΔVce}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Vce}}},$ 获得预设时间外不同时刻的结温；

其中，T_J(t)表示预设时间外不同时刻的结温；T′_J0表示撤出所述预设的加热功率预设时间时的结温。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述预设时间为10μs-30μs。

8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在所述预设时间内，根据公式：和T_J(t)=ΔT_J（t）+T′_J0，获得预设时间内不同时刻的结温；

其中，T_J(t)表示预设时间内不同时刻的结温；ΔT_J(t)表示预设时间内的结温变化；T′_J0表示撤出所述预设的加热功率预设时间时的结温；k表示封装芯片的材料常数；P表示预设的加热功率；A表示所述封装芯片的有效面积；t表示从撤除所述预设的加热功率时刻，到测量时刻的时间。

9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述导热层在所述封装外壳与散热器之间均匀分布。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述导热层的材料为导热硅脂或油。

11.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述导热层的厚度范围为30μm-50μm。

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