CN104458799A - 一种在线测量igbt模块瞬态热阻的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种在线测量IGBT模块瞬态热阻的方法和装置，解决了IGBT模块的瞬态热阻表征方法缺失、测量精度低、无法在线测量的问题。该方法和装置以IGBT芯片的门极-发射极电压作为热敏参数，通过优化设计测试电路和系统，达到测试系统的小型化、高精度和高稳定性。本发明装置包括：K值校准炉、静止空气测试箱、测试电路板、恒温测试平台、水冷散热系统、可编程直流电源、电流表、示波器、计算机、LabVIEW数据采集及自动处理系统等。依据热时间常数的准确计算，通过改变脉冲通电时间，可在线快速测量IGBT模块中任意层材料及界面的瞬态热阻，测量误差可控制在0.8％以内，满足对IGBT模块产品瞬态热阻的检测需求。

Description

一种在线测量IGBT模块瞬态热阻的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种新的测量IGBT模块中各层材料和材料连接界面的瞬态热阻的方法和装置，具体地说，涉及以IGBT的门极-发射极电压作为热敏参数测量瞬态热阻的方法及装置，属于电子封装模块关键性能测试领域创新型技术。

背景技术

近年来，IGBT模块趋于集成化和微型化，被越来越广泛应用于高温环境中，功率密度和热应力不断增大，其峰值热通量甚至高达300W/cm²，严重影响了IGBT模块的热性能。在IGBT模块中，连接层是影响其使用性能、可靠性及工作寿命的最重要的部分。因此，能够准确测量IGBT模块尤其是连接层的温升和热阻，对于研究模块失效机理和寿命预测具有重要意义。传统测量的稳态热阻，包括整个模块中所有材料和界面对热阻的贡献，难以测量每层材料和界面在模块中的热阻。瞬态热阻根据热扩散原理，基于热时间常数来控制热量的传导，可以得到任意层材料和界面在结构中的热阻。目前，测量瞬态热阻的主要方法有：热传感器法、红外热探测法和电学法。热传感器法和红外热探测法都必须破坏封装结构，响应时间长，操作技术复杂，不能满足IGBT结温和瞬态热阻在线精确快速测量的要求。现有的电学法以PN结正向压降作为热敏参数，其压降与结温的K系数约为2mV/℃，灵敏度较低，测量出的结温和瞬态热阻值误差较大。

发明内容

本发明主要解决测量IGBT模块中各层材料和材料连接界面的瞬态热阻的问题，提供了一种在线测量，方便快捷，操作简单，精确度高的方法和装置。IGBT模块结构示意图如图1所示。本发明采用以IGBT的门极-发射极电压V_GE作为热敏参数的电学法，设计制造了瞬态热阻测量系统，测量得出的V_GE与T_J的K系数约为10mV/℃，具有较高的精度，根据热时间常数τ，控制脉冲通电时间t_H＝τ，t_H可精确至微秒级，实现在线测量封装结构中的各层材料和材料连接界面的瞬态热阻，方便快捷，精确度高，稳定性好，对于模块失效分析和性能评估具有重要的应用价值。

本发明方法通过以下技术方案实现。

一种在线测量IGBT模块中各层材料及材料连接界面的瞬态热阻的装置，首先，将被测IGBT模块置于K值校准炉内，IGBT模块与测试电路板连接，测试电路板输入端与可编程直流电源连接，输出端与示波器连接，示波器输出端与计算机连接，在计算机上计算得到K系数值；然后，将被测IGBT模块与测试电路板连接，置于恒温测试平台上，恒温测试平台与水冷散热系统连接，恒温测试平台和测试电路板置于静止空气箱内，测试电路板输入端与可编程直流电源连接，输出端与示波器连接，示波器输出端通过数据采集系统与计算机连接，在计算机上计算得到瞬态热阻值。

所述K值校准炉，用来校准门极-发射极电压V_GE与结温T_J的K系数值，使用的校准温度范围为20～125℃，校准温度间隔为5℃，在校准温度下的保温时间为10min；

所述测试电路板：测试电路板中的电路包括IGBT模块的驱动电路、缓冲电路和测试电路；在驱动电路中，控制脉冲信号由单片机输出，由MOSFET开关调节电流感应电路，使IGBT处于加热阶段或冷却测试阶段，MOSFET开关由TPS2816高速驱动器控制；在测试电路中，利用PI反馈控制保证加热脉冲功率稳定，利用RC滤波耦合降低噪声干扰；缓冲电路将IGBT的V_GE输出端子与示波器的测量端子隔离开，避免了示波器指针的干扰，提高了测试精度。

所述恒温测试平台，其温度范围为0～100℃，恒温测试平台由6021铝合金板内嵌铜管制成，铜管与水冷散热系统连接，水冷散热系统由循环泵和流动水箱组成，循环泵静态扬程6m，静态流量50L/min。

所述铝合金板尺寸为30cm×25cm×2cm，铜管直径为2cm.

所述静止空气测试箱，是完全密封的有机玻璃箱，将IGBT模块，测试电路板及恒温测试平台放置在静止空气测试箱内，避免空气流动引起的噪声干扰。

所述可编程直流电源，用来给IGBT模块提供加热电压V_H，其输出功率达160W，瞬态响应时间小于50uS；电流表用来监测加热电流I_H，其测量速度达10Krdgs/s，准确测量出IGBT模块开关瞬间的电流变化。

所述示波器，在线监测经缓冲电路输出的V_GE波形，示波器具有较大的模拟带宽、采样率和记录长度；V_GE波形由示波器经数据采集系统传输到计算机，利用LabVIEW对V_GE数据进行处理，得到瞬态热阻值。

本发明在线测量IGBT模块中各层材料及材料连接界面的瞬态热阻的方法，步骤如下：

1).将IGBT模块的门极，发射极和集电极端子与电路板连接，用导热胶将被测模块接触放置在恒温测试平台上，设置平台温度为T₁；

2).保持与测量K系数时相同的I_M，通过可编程直流电源设定脉冲功率P_H对IGBT加热，其中脉冲功率P_H等于脉冲电压V_H和脉冲电流I_H(I_H>1000I_M)的乘积，通过计算机设定脉冲通电时间t_H和占空比D，在示波器上对IGBT输出的V_GE波形进行在线监测，并经数据采集系统采集加热脉冲前、后的门极-发射极电压V_{GE_i}和V_{GE_f}，得到热敏参数差值ΔV_GE＝V_{GE_i}-V_{GE_f}；

3).执行测量程序，测得I_M、I_H、V_H、t_H及D下的温升为：ΔT_J＝ΔV_GE/K；测得瞬态热阻为：

$Z_{\mathrm{th}}\left(t_H\right)=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_J}{P_H}=\frac{V_{\mathrm{GE}\_i}-V_{\mathrm{GE}\_f}\left(t_H\right)}{K\×P_H}---\left(1\right);$

4).基于一维热传导原理，计算出连接层的热时间常数τ＝ρd²C_p/λ，其中，ρ、d、C_p和λ分别为材料的密度、厚度、比热容和热导率，使脉冲通电时间t_H＝τ，即可得到模块中连接层材料的瞬态热阻，计算出各层材料和界面的热时间常数τ，改变t_H，即可得到模块中各层材料和界面的瞬态热阻曲线。

所述的被测模块K系数值的方法：

I.将IGBT模块放置在K值校准炉内，设置校准炉的温度，从20℃升温至125℃，升温间隔为5℃，每个温度保温10min，保证IGBT模块的结温T_J与炉温相同；

II.设置测试电流I_M，I_M取值范围为2～4mA，采集IGBT模块在不同I_M下的V_GE波形，得到V_GE与结温T_J的关系曲线；

III.对温度T_J及电压V_GE进行最小二乘法计算，得到K系数值：K＝ΔV_GE/ΔT_J。

附图说明

图1：IGBT模块放置示意图；

图2：测试电路板实物图；

图3：测试电路板中驱动和测试电路图；

图4：测试电路板中的缓冲电路图；

图5：静止空气测试箱和恒温测试平台示意图；

图6：瞬态热阻测量系统示意图；

图7：瞬态热阻测试过程中的参数示意图；

图8：测量得到的V_GE与T_J的K系数曲线图；

图9：测量的IGBT模块中任意层的瞬态热阻曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

一种在线测量IGBT模块中各层材料及材料连接界面的瞬态热阻的装置，其连接方式为：首先，将被测IGBT模块置于K值校准炉内，IGBT模块与测试电路板连接，测试电路板输入端与可编程直流电源连接，输出端与示波器连接，示波器输出端与计算机连接，在计算机上计算得到K系数值。然后，将被测IGBT模块与测试电路板连接，置于恒温测试平台上，恒温测试平台与水冷散热系统连接，恒温测试平台和测试电路板置于静止空气箱内，测试电路板输入端与可编程直流电源连接，输出端与示波器连接，示波器输出端通过数据采集系统与计算机连接，在计算机上计算得到瞬态热阻值。本装置具体包括如下部分：

I.K值校准炉(天津中环实验电炉有限公司，型号SX₃-4-13)，用来校准门极-发射极电压V_GE与结温T_J的K系数值，使用的校准温度范围为20～125℃，校准温度间隔为5℃，在校准温度下的保温时间为10min；

II.测试电路板，如图2所示。测试电路板中的电路包括IGBT模块的驱动电路、缓冲电路和测试电路。驱动和测试电路如图3所示。缓冲电路如图4所示。在驱动电路中，控制脉冲信号由单片机输出，由MOSFET开关调节电流感应电路，使IGBT处于加热阶段或冷却(测试)阶段，MOSFET开关由TPS2816高速驱动器控制，降低了测试响应时间，提高了测试精度。在测试电路中，利用PI反馈控制保证加热脉冲功率稳定，利用RC滤波耦合降低噪声干扰，提高测试精度。缓冲电路将IGBT的V_GE输出端子与示波器的测量端子隔离开，避免了示波器指针的干扰，提高了测试精度；

III.恒温测试平台，如图5所示。其温度范围为0～100℃，恒温测试平台由6021铝合金板内嵌铜管制成，铝合金板尺寸为30cm×25cm×2cm，铜管直径为2cm，铜管与水冷散热系统连接，水冷散热系统由循环泵和流动水箱组成，循环泵静态扬程6m，静态流量50L/min；

IV.静止空气测试箱，如图5所示，是完全密封的有机玻璃箱，尺寸为30cm×30cm×30cm。将IGBT模块，测试电路板及恒温测试平台放置在静止空气测试箱内，可避免空气流动引起的噪声干扰；

V.可编程直流电源(北京普源精电科技有限公司，型号DP1116A)，用来给IGBT模块提供加热电压V_H，其输出功率达160W，瞬态响应时间小于50uS，具有出色的过压/过流/过温保护功能。电流表用来监测加热电流I_H，其测量速度达10Krdgs/s，可准确测量出IGBT模块开关瞬间的电流变化；

IV.示波器(泰克科技有限公司，型号DPO4104B)，在线监测经缓冲电路输出的V_GE波形，该示波器具有较大的模拟带宽(1GHz)，采样率(5GS/s)和记录长度(5M点)，可保证测试结果具有较高的精度。V_GE波形由示波器经数据采集系统传输到计算机，利用LabVIEW对V_GE数据进行处理，得到瞬态热阻值。

本发明的被测模块K系数值的方法，步骤如下：

I.将IGBT模块放置在K值校准炉内，设置校准炉的温度，从20℃升温至125℃，升温间隔为5℃，每个温度保温10min，保证IGBT模块的结温T_J与炉温相同；

II.设置测试电流I_M，I_M可取值范围为2～4mA，采集IGBT模块在不同I_M下的V_GE波形，得到V_GE与结温T_J的关系曲线；

III.对温度T_J及电压V_GE进行最小二乘法计算，得到K系数值：K＝ΔV_GE/ΔT_J。

本发明测量IGBT模块瞬态热阻的方法，其功能和参数示意图如图6和图7所示，测量步骤如下：

I.将IGBT模块的门极，发射极和集电极端子与电路板连接，用导热胶将被测模块接触放置在恒温测试平台上，设置平台温度为T₁(T₁范围为0～100℃)；

II.保持与测量K系数时相同的I_M，通过可编程直流电源设定脉冲功率P_H对IGBT加热，其中脉冲功率P_H等于脉冲电压V_H和脉冲电流I_H(I_H>1000I_M)的乘积，通过计算机设定脉冲通电时间t_H和占空比D，在示波器上对IGBT输出的V_GE波形进行在线监测，并经数据采集系统采集加热脉冲前、后的门极-发射极电压V_{GE_i}和V_{GE_f}，得到热敏参数差值ΔV_GE＝V_{GE_i}-V_{GE_f}；

III.执行测量程序，测得I_M、I_H、V_H、t_H及D下的温升为：ΔT_J＝ΔV_GE/K。测得瞬态热阻为：

$Z_{\mathrm{th}}\left(t_H\right)=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_J}{P_H}=\frac{V_{\mathrm{GE}\_i}-V_{\mathrm{GE}\_f}\left(t_H\right)}{K\×P_H}---\left(1\right);$

IV.基于一维热传导原理，计算出连接层的热时间常数τ＝ρd²C_p/λ，其中，ρ、d、C_p和λ分别为材料的密度、厚度、比热容和热导率，使脉冲通电时间t_H＝τ，即可得到模块中连接层材料的瞬态热阻，计算出各层材料和界面的热时间常数τ，改变t_H，即可得到模块中各层材料和界面的瞬态热阻曲线。

本发明精确得到加热前后热敏参数差值ΔV_GE的方法，步骤如下：

I.取加热前0.1ms的V_GE平均值作为V_{GE_i}；

II.根据热扩散原理，结温与冷却时间的平方根成正比，将冷却时间的平方根与V_GE进行线性回归，取冷却时间t＝0时的V_GE作为V_{GE_f}。

典型实例：

首先，测量IGBT模块的K系数值。将IGBT模块的门极、发射极和集电极与测试电路板对应端子连接，将IGBT模块置于K值校准炉内，从20℃加热至125℃，温度间隔为5℃，每个温度停留10min，保证结温与炉温相同。给IGBT模块施加测试电流I_M，I_M一般取值为2～4mA，保证IGBT模块正常工作但不会产生明显的温升，测量得到每个温度对应的V_GE。利用最小二乘法计算K系数值：K＝ΔV_GE/ΔT_J。每个IGBT模块的K系数值略有不同，但差值在3％以内，K系数约为10mV/℃。

其次，将IGBT模块用导热胶接触放置在可调温度(0～100℃)的恒温测试平台上，恒温平台与水冷散热系统连接，将IGBT模块及恒温测试平台放置在静止空气测试箱内。

再次，将IGBT模块的门极、发射极和集电极与测试电路板对应端子连接，电路板驱动IGBT模块正常工作。将测试电路板与可编程直流电源连接，电源给IGBT模块提供加热电压V_H和加热电流I_H，V_H一般取值为15V，I_H一般取值为6A。

然后，用USB数据线将测试电路板与计算机连接，在计算机上调节占空比D和脉冲通电时间t_H，为保证结温在下一个加热脉冲到来之前冷却到环境温度，D一般设置为2％，t_H根据测量层的热时间常数τ取值，t_H＝τ＝ρd²C_p/λ，其中ρ、d、C_p和λ分别是材料层的密度、厚度、比热容和热导率。

最后，将测试电路板V_GE输出端子与示波器连接，在示波器上在线监测V_GE电压波形，发现问题及时处理。用数据采集系统将示波器与计算机连接，在计算机上用LabVIEW对采集到的V_GE数据进行处理，得到加热前后的热敏参数差值ΔV_GE，利用公式(1)得到瞬态热阻。基于一维热传导原理，改变脉冲通电时间t_H＝τ，t_H可精确至微秒级，即可得到任意层材料和界面在IGBT模块中的瞬态热阻。

利用本系统测试IGBT模块的瞬态热阻示例如下：

所测器件为英飞凌科技公司的型号为IKP20N60T的IGBT模块，设置I_M为2-4mA，测得K系数平均值为10.3mV/℃，改变V_CE的值，K系数基本保持恒定，测量的K系数曲线如图8所示。设置I_H为6A，V_H为15V，D为2％，计算出IGBT模块中IGBT芯片、连接层和散热板的热时间常数τ分别为0.06ms、0.12ms和13.43ms，采取加热时间t_H＝τ，测得IGBT芯片、连接层和散热板的瞬态热阻分别为0.043℃/W、0.109℃/W和0240℃/W，测得瞬态热阻曲线如图9所示。理论计算的IGBT芯片、连接层和散热板的热阻分别为0.046℃/W、0.113℃/W和0.250℃/W。理论值与测量值差值约为4.6％，重复性实验误差在0.87％以内，其精度可以满足IGBT结温和瞬态热阻在线快速测量的要求。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，以上实施例只能用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在线测量IGBT模块中各层材料及材料连接界面的瞬态热阻的装置，其特征是：首先，将被测IGBT模块置于K值校准炉内，IGBT模块与测试电路板连接，测试电路板输入端与可编程直流电源连接，输出端与示波器连接，示波器输出端与计算机连接，在计算机上计算得到K系数值；然后，将被测IGBT模块与测试电路板连接，置于恒温测试平台上，恒温测试平台与水冷散热系统连接，恒温测试平台和测试电路板置于静止空气箱内，测试电路板输入端与可编程直流电源连接，输出端与示波器连接，示波器输出端通过数据采集系统与计算机连接，在计算机上计算得到瞬态热阻值。 

2.如权利要求1所述的装置，其特征是所述K值校准炉，用来校准门极-发射极电压V_GE与结温T_J的K系数值，使用的校准温度范围为20～125℃，校准温度间隔为5℃，在校准温度下的保温时间为10min。 

3.如权利要求1所述的装置，其特征是所述测试电路板：测试电路板中的电路包括IGBT模块的驱动电路、缓冲电路和测试电路；在驱动电路中，控制脉冲信号由单片机输出，由MOSFET开关调节电流感应电路，使IGBT处于加热阶段或冷却测试阶段，MOSFET开关由TPS2816高速驱动器控制；在测试电路中，利用PI反馈控制保证加热脉冲功率稳定，利用RC滤波耦合降低噪声干扰；缓冲电路将IGBT的V_GE输出端子与示波器的测量端子隔离开，避免了示波器指针的干扰，提高了测试精度。 

4.如权利要求1所述的装置，其特征是所述恒温测试平台，其温度范围为0～100℃，恒温测试平台由6021铝合金板内嵌铜管制成，铜管与水冷散热系统连接，水冷散热系统由循环泵和流动水箱组成，循环泵静态扬程6m，静态流量50L/min。 

5.如权利要求4所述的装置，其特征是所述铝合金板尺寸为30cm×25cm×2cm，铜管直径为2cm。

6.如权利要求1所述的装置，其特征是所述静止空气测试箱，是完全密封的有机玻璃箱，将IGBT模块，测试电路板及恒温测试平台放置在静止空气测试箱内，避免空气流动引起的噪声干扰。 

7.如权利要求1所述的装置，其特征是所述可编程直流电源，用来给IGBT模块提供加热电压V_H，其输出功率达160W，瞬态响应时间小于50uS；电流表用来监测加热电流I_H，其测量速度达10Krdgs/s，准确测量出IGBT模块开关瞬间的电流变化。 

8.如权利要求1所述的装置，其特征是所述示波器，在线监测经缓冲电路输出的V_GE波 形，示波器具有较大的模拟带宽、采样率和记录长度；V_GE波形由示波器经数据采集系统传输到计算机，利用LabVIEW对V_GE数据进行处理，得到瞬态热阻值。 

9.在线测量IGBT模块中各层材料及材料连接界面的瞬态热阻的方法，步骤如下： 

1).将IGBT模块的门极，发射极和集电极端子与电路板连接，用导热胶将被测模块接触放置在恒温测试平台上，设置平台温度为T₁； 

2).保持与测量K系数时相同的I_M，通过可编程直流电源设定脉冲功率P_H对IGBT加热，其中脉冲功率P_H等于脉冲电压V_H和脉冲电流I_H(I_H>1000I_M)的乘积，通过计算机设定脉冲通电时间t_H和占空比D，在示波器上对IGBT输出的V_GE波形进行在线监测，并经数据采集系统采集加热脉冲前、后的门极-发射极电压V_{GE_i}和V_{GE_f}，得到热敏参数差值ΔV_GE＝V_{GE_i}-V_{GE_f}； 

3).执行测量程序，测得I_M、I_H、V_H、t_H及D下的温升为：ΔT_J＝ΔV_GE/K；测得瞬态热阻为： 

4).基于一维热传导原理，计算出连接层的热时间常数τ＝ρd²C_p/λ，其中，ρ、d、C_p和λ分别为材料的密度、厚度、比热容和热导率，使脉冲通电时间t_H＝τ，即可得到模块中连接层材料的瞬态热阻，计算出各层材料和界面的热时间常数τ，改变t_H，即可得到模块中各层材料和界面的瞬态热阻曲线。 

10.如权利要求10所述的方法，其特征是所述的被测模块K系数值的方法： 

I.将IGBT模块放置在K值校准炉内，设置校准炉的温度，从20℃升温至125℃，升温间隔为5℃，每个温度保温10min，保证IGBT模块的结温T_J与炉温相同； 

II.设置测试电流I_M，I_M取值范围为2～4mA，采集IGBT模块在不同I_M下的V_GE波形，得到V_GE与结温T_J的关系曲线； 

III.对温度T_J及电压V_GE进行最小二乘法计算，得到K系数值：K＝ΔV_GE/ΔT_J。