CN105806887A - 一种功率半导体器件结到壳热阻测量方法及测量夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率半导体器件结到壳热阻测量方法及测量夹具，包括：绘制器件电学参数值结压降V_ce与结温T_j的关系曲线；绘制器件壳表面与散热器间涂有液态金属时的瞬态热阻抗曲线Z_{th‑jc(direct)}(t)；绘制器件壳表面与散热基板间添加金属时的瞬态热阻抗曲线Z_{th‑jc(metal)}(t)；绘制瞬态热阻抗分离点曲线；确定器件结壳热阻，测量方法所用的夹具包括有基板、立柱、压力施加装置和压力均布装置。本发明提供的技术方案消除了因热电偶带来的所有测量误差，配套的测量夹具也相对比较简单，提高了测量方便性和测量结果的准确性。

Description

一种功率半导体器件结到壳热阻测量方法及测量夹具

技术领域

本发明涉及电力半导体器件热阻测量领域，具体讲涉及一种功率半导体器件结到壳热阻测量方法及其测量夹具。

背景技术

诸如晶体管、IGBT、IGCT、GTO等一类压接型功率半导体器件，由于具有功率密度大、双面散热、易于串联以及可靠性高等优点，现己逐步应用于电力系统的高压直流输电(HVDC)、电力机车等高电压、大功率应用场合。

衡量半导体器件散热性能重要标准的热阻是半导体器件最重要的一种参数，器件的热阻值反映了半导体器件功率密度的提升和结构的紧凑化。对于半导体器件生产厂商而言，热阻值的准确测量对优化封装结构减小器件热阻，以及指导用户充分利用器件的各方面特性具有非常重要的意义。高压大功率器件封装形式的压接型功率半导体器件内部产生的热量多，结构紧凑，因此需要热阻更小一些的来保证器件的正常工作温度，准确测量器件的热阻值显得尤为重要。

对半导体器件的热阻测试方法是目前主要采用热电偶的方法：测量器件的结温、壳温和功率，用R_th-jc＝(T_j-T_c)/P式计算器件的热阻值。其中，半导体功率器件结温T_j是用结压降V_ce与结温T_j的关系间接得到的；在器件与散热器的界面间放置热电偶测量壳温T_c，这种壳温测量方法的优点是简单，缺点是误差比较大。而器件壳温测量的准确性与热电偶的位置、器件的紧固力、导热硅脂和测试人员等因素都有关系，所以这种测试方法可重复性差。

针对传统热电偶法的不足，JEDEC51-14标准提出了瞬态双界面法，在测量器件与散热器的直接接触面间和器件与散热器间敷设导热硅脂，所得的瞬态热阻抗曲线的分离点准确反映出器件结到壳的热阻值，但该法主要是针对TO封装形式或焊接式半导体器件的热阻的测量，这种半导体器件的特点是单面散热、器件与散热器是绝缘的、正常工作时不需要施加外部压力。201310054317.9号名为“结到壳热阻测试方法”的中国专利文件披露了一种基于JEDEC51-14标准的结到壳热阻的检测方法，该法虽然消除了半导体器件封装材料的温度非线性对热阻测量结果的影响，但并不能消除半导体器件封装形 式对热阻测量的影响。

压接型功率半导体器件的封装形式完全异于TO封装形式或焊接式半导体器件，压接型功率半导体器件能够实现双面散热，且是通过器件两端的散热器给压接型半导体器件施加工作压力和电流，也即半导体器件的电流是通过散热器传导的。JEDEC51-14标准规定的试件与散热器间的安装紧固力为10N/cm²左右，因过大的压力会导致两条瞬态热阻抗曲线的分离不明显，很难得到准确的结到壳热阻值，而压接型功率半导体器件正常工作时需要通过散热器施加的外部压力非常大，比如：压接型IGBT器件为1.2kN/cm²左右，此值远远大于标准中规定的器件与散热器间的压力值，因此最终可能导致错误的结果，所以上述热阻测试方法并不适用于测量压接型功率半导体器件结到壳的热阻。

器件生产厂商西玛和东芝(WESTCODE和TOSHIBA)等也只给出了压接型IGBT器件结到散热器的热阻值，其他涉及该技术领域的专利文献中也都是用热电偶来测量压接型功率半导体器件结到壳热阻值的，仅是形式的变换，所以仍然存在热电偶带来的误差。200520097279.6号名为“一种平板式半导体器件稳态热阻测试装置”的中国专利文献中披露了如附图1所示的包括可调整压力的恒定压力夹具6、底部设有发热底板1、上部设有冷却终端5、在发热底板和冷却终端上分别设有标准热阻(2与4)的装置。其中用热电偶测量四个位置的温度，并与标准热阻进行等效计算，并将试件的结到两个壳表面的热阻值视为一致，所以确认为是两个热阻值的并联，对于压接型功率半导体器件来说，集电极侧散热时和发射极侧散热时的热阻值实际差异比较大，而热电偶测量也会带来一些误差，相对其他传统热电偶方法而言，虽然这种测试方法和测试夹具比较简单，但测试结果仍然有一定的误差。

鉴于目前压接型功率半导体器件结到壳热阻测量方法的不足，因此需要提供一种压接型功率半导体器件结到壳热阻测量方法，来消除由热电偶测量带来的所有误差，准确地测量器件单面散热和双面散热时结到壳的热阻值。

发明内容

为克服现有技术方法的不足，本发明提供一种压接型功率半导体器件结到壳热阻测量方法以及测量夹具。

本发明提供的测量方法，改进之处在于，所述测量方法包括以下步骤：

(1)绘制器件电学参数结压降V_ce与结温T_j的关系曲线；

(2)绘制器件壳表面与散热基板间涂有液态金属时的瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)；

(3)绘制器件壳表面与散热基板间添加金属层时的瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)；

(4)绘制瞬态热阻抗分离点曲线；

(5)确定器件结壳热阻。

本发明提供的第二优选技术方案，所述步骤(1)中包括：

(1.1)将测量夹具固定的时间放入恒温箱中；

(1.2)给试件输入感应电流I_sense，使试件产生结压降V_ce；

(1.3)将恒温箱升温到指定温度后自然降温，每降温5度采集一次结压降V_ce，并绘制结温与结压降的线性关系曲线。

本发明提供的第三优选技术方案，所述步骤(2)中包括：

(2.1)用两个散热基板夹持试件，在器件壳与夹持试件的散热基板间涂敷液态金属，对试件施加工作压力F；

(2.2)给试件通入加热功率为P的加热电流I_drive直至内部结温T_j达到热平衡后，切换到感应电流I_sense；

(2.3)测量结压降V_ce，由步骤(1)得到的结温T_j与结压降V_ce的变化关系，求得结温T_j；

(2.4)按公式(1)绘制器件的瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)：

$Z_{th-jc\left(direct\right)}\left(t\right)=\frac{T_j\left(t\right)-T_c}{P}---\left(1\right)$

其中，T_j(t)：各个时刻的结温；T_c：t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

本发明提供的第三优选技术方案，所述步骤(3)中包括：

(3.1)将试件放置于测量夹具的上下两散热基板间，器件壳与散热基板间添加一层金属，对试件施加与步骤(2)中相同的工作压力F；

(3.2)给试件通入加热功率为P的加热电流I_drive直至内部结温T_j达到热平衡后，切换到感应电流I_sense；

(3.3)测量结压降V_ce，由步骤S1得到的结温T_j与结压降V_ce的变化关系，求得结温T_j；

(3.4)按公式(2)绘制器件的瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)：

$Z_{th-jc\left(metal\right)}\left(t\right)=\frac{T_j\left(t\right)-T_c}{P}---\left(2\right)$

其中，T_j(t)：各个时刻的结温；T_c：t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

本发明提供的第四优选技术方案，所述步骤(4)中，绘制瞬态热阻抗分离点曲线 的数学处理方法包括:

(4.1)对瞬态阻抗曲线进行对数化和变量代换，得下式(3)和(4)所示的变换公式：

a(z)_direct＝Z_{th-jc(direct)}(t＝exp(z)) (3)

a(z)_metal＝Z_th-jc(metal)(t＝exp(z)) (4)

其中，z＝ln(t)，a(z)＝Z_th-jc(t)，a(z)为中间变量；Z_th-jc(t)：试件结到壳的瞬态热阻抗曲线；

(4.2)对两条瞬态热阻抗曲线的变换公式进行微分求差得到如下式(5)所示分离曲线：

Δda/dz＝da(z)_metal/dz-da(z)_direct/dz (5)

(4.3)对式(5)所示的分离曲线进行归一化，得下式(6)所示的归一化后的分离曲线：

δ(z)＝(Δda/dz)/Δθ (6)

其中，Δθ为两条瞬态热阻抗曲线稳态热阻值的差值。

本发明提供的第五优选技术方案，所述步骤(5)中，确定所述试件结壳热阻通过分离点判据确定瞬态热阻抗分离曲线的分离点：

所述分离点判据与分离曲线的交点即为试件结到壳的热阻值R_th-jc。

本发明提供的第六优选技术方案，所述分离点判据ε由下式(7)所示：

ε＝0.0045(K/W)*Z_th+0.003 (7)

其中，Z_th(t)代表器件瞬态热阻抗。

本发明提供的第七优选技术方案为功率半导体器件结到壳热阻测量方法所用测量夹具，所述测量夹具由水平方向基板和竖直方向的立柱连接而成；

所述基板包括上基板、下基板和中基板；

所述上基板和所述中基板两端的水平方向分别设有绝缘板和散热基板；

所述中基板和所述下基板间依次安装有压力均布装置、传感器、压力维持板和压力施加装置；

所述压力均布装置依次包括半球面和安装有碟簧的导柱；

所述压力施加装置依次包括顶杆和安装有显示仪表的基座。

进一步的，所述立柱穿过所述上基板和所述下基板；分别在所述上基板和所述下基板两侧设置螺母，以固定所述上基板和下基板；

所述压力维持板下侧设置螺母，以固定所述压力维持板。

进一步的，所述散热基板左右两侧分别设置冷却系统接口和直流母排接口。

与现有技术比，本发明具有以下优异效果：

1、本发明提供的技术方案不需要通过热电偶测量器件壳温，消除了因热电偶带来的所有测量误差，配套的测量夹具也相对比较简单，大大提高了测量方便性和测量结果的准确性；

2、本发明提供的技术方案能够准确地测量压接型功率半导体器件单面散热和双面散热时的热阻值。

3、本发明提供的技术方案可以快速准确地测量压接型功率半导体器件单面散热和双面散热时的结到壳热阻值，克服了传统热电偶法不能测量双面散热以及热电偶带来的误差。

附图说明

图1为现有技术中的热阻测量夹具示意图；

图2为本发明提供的技术方案中的半导体热阻测量夹具示意图；

图3为本发明提供的技术方案中的瞬态热阻抗曲线测量电路图；

图4为本发明提供的技术方案中的瞬态热阻抗曲线测量时序图；

图5为本发明提供的技术方案中的瞬态热阻抗分离曲线图；

图6为本发明提供的技术方案中的结到壳热阻值确定曲线图；

其中，11-上基板、12-中基板、13-下基板、21-立柱、22-螺母、3-压力维持板、4-压力施加装置、41-基座、42-顶杆、43-显示仪表、5-压力均布装置、51-导柱、52-碟簧、53-半球面、61-冷却系统接口、62-直流母排接口、63-散热基板、631-上散热基板、632-下散热基板、7-绝缘板、8-传感器、91-器件壳上表面、92-器件壳下表面。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和具体实施方案对本发明的内容做进一步的说明。

如图2所示，本发明提供的测量方法是用的测量夹具包括所述测量夹具由三块基板和两根立柱21组成；

在上基板11和中基板12间对称设有绝缘板7和散热基板63组成的安装试件的空间；散热基板63包括上散热基板631和下散热基板632；散热基板上设置有冷却系统接 口614和直流母排接口62的正极和负极。

在中基板12和下基板13间依次安装有压力均布装置5、传感器8、压力维持板3和压力施加装置4；

所述压力均布装置5依次包括半球面53和安装有碟簧52的导柱51；

所述压力施加装置4依次包括顶杆42和安装有显示仪表43的基座41；

压力均布装置设置在压力维持板3的上方中间位置，压力施加装置4对应于压力均布装置5的导柱中心设置于压力维持板3下方；

上基板、下基板和立柱连接位置的上下方均设置有螺母22，压力维持板的下方设置有螺母22。

通过调节螺母的高度调节施加给试件的工作压力F，显示仪表精确显示工作压力F，施加给压力维持板的压力将压力分散施加给压力均布装置5，确保试验过程中施加承受的压力不会随时间改变。

使用上述测量夹具的压接型功率半导体器件结到壳热阻测量方法的主要步骤如下，以压接型功率半导体器件单面散热为例说明具体实施方式。

1、测量器件电学参数V_ce与结温T_j的关系曲线；

(1)将被测压接型功率半导体器件与相应的测量夹具一并放入一个恒温箱中，给试件输入一个很小的感应电流I_sense，使得器件产生一定的结压降V_ce，感应电流的大小需要满足既能使器件产生一定的结压降，又不会使器件发生明显的发热。

(2)将恒温箱温度升高到指定温度，开始自然降温，降温的过程中每降温5度采集一次电学参数结压降V_ce的值，得到试件结温T_j与电学参数的变化关系，对于硅基半导体器件，由于材料特性以及器件的属性使得器件的结温与结压降近似为线性关系；

(3)在热阻测试过程中测量电学参数结压降V_ce即可转换得到器件每个时刻的结温T_j。

2、测量器件壳表面与散热器间涂敷液态金属时的瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)；

(1)通过如附图2所示的压接型半导体器件测量夹具，将试件夹在两个散热基板之间，器件壳表面91与上散热基板631之间直接接触或涂一层液态金属以降低接触界面间的接触热阻，液态金属为一种高导电和高导热的合金，较导热但高绝缘的常规导热硅脂适用；测量单面散热热阻时，在器件壳表面92与下散热基板632间添加一个绝热层，利用测量夹具给被器件施加相应的工作压力F；

(2)如附图3所示的测试电路图，给试件通入加热功率为P的加热电流I_drive使器 件发热，当器件内部结温T_j达到热平衡后，将外部加热电流I_drive切换到感应电流I_sense。由于感应电流很小，器件几乎不会产生热量，所以器件内部结温开始下降，此时测量器件两端各个时刻的结压降V_ce，再通过步骤1的电学参数与结温的关系曲线即可得到器件各个时刻的结温T_j，测量时序图如附图4所示；

(3)当t＝0时刻没有加热电流I_drive，所以认为器件的结温T_j就是器件的壳温Tc，则可通过下述公式(1)得到器件的瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)：

$Z_{th-jc\left(direct\right)}\left(t\right)=\frac{T_j\left(t\right)-T_c}{P}---\left(1\right)$

其中，T_j(t)：各个时刻的结温；Tc：t＝0时刻器件的结温T_j，即器件的壳温T_c。

3、测量器件壳表面与散热器间添加一层金属(如：铜)时的瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)；

试件与散热基板间添加一层金属时的瞬态热阻抗曲线的测量与直接接触时类似，与步骤2只改变器件壳表面1与散热器1间的接触条件，其他所有输入条件保持一致，如输入功率，水冷散热器温度等，尤其是两次测量时压接型功率半导体器件施加的外部压力一定要保持严格一致性，最终得到瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)。

器件壳表面91与上散热基板631间添加一层金属(如：铜排，要求保证两次测量的稳态热阻差>0.5K/W)，以等效增加器件壳表面91与上散热基板631间的接触热阻，而并不改变器件内部的热阻值，从而使得第二次测量得到的瞬态热阻抗曲线在试件壳表面91发生很大的变化，与第一次测量得到的瞬态热阻抗曲线在器件壳表面产生明显的分离；

焊接式功率半导体器件两次瞬态热阻抗曲线测量时的压力不一致可能更有利于曲线的分离，异于焊接式半导体器件测试方法，压接型功率半导体器件内部各个组件包含与压力有很大关系的接触热阻，外部压力的变化不仅会影响器件壳表面与散热器接触界面间的接触热阻，还会影响器件内部的接触热阻，最终影响瞬态热阻抗曲线；

4、对两条瞬态热阻抗曲线进行数学处理得到瞬态热阻抗分离点曲线，如附图5所示，两条瞬态热阻抗曲线和分离点曲线在同一坐标系中显示；

(1)对瞬态热阻抗曲线进行对数化和变量代换，令z＝ln(t)，a(z)＝Z_th-jc(t)，可分别得到a(z)_direct＝Z_{th-jc(direct)}(t)和a(z)_metal＝Z_th-jc(metal)(t)，得到的变换公式如下式(2)和式(3)所示：

a(z)_direct＝Z_{th-jc(direct)}(t＝exp(z)) (2)

a(z)_metal＝Z_th-jc(metal)(t＝exp(z)) (3)

其中，a(z)为中间变量；Z_th-jc(t)则代表器件结到壳的瞬态热阻抗曲线；

Z_{th-jc(direct)}(t)：器件与散热器间直接接触时或涂有液态金属测量得到的瞬态热阻抗曲线；

Z_th-jc(metal)(t)：器件与散热器间添加一层金属时测量的瞬态热阻抗曲线。

(2)对两条瞬态热阻抗曲线进行微分求差得到分离曲线Δda/dz，所述微分求差如下式(4)所示：

Δda/dz＝da(z)_metal/dz-da(z)_direct/dz (4)

(3)为了消除两次测量的稳态热阻差值对分离曲线的影响，对分离曲线进行归一化处理，由下式(5)所示：

δ(z)＝(Δda/dz)/Δθ (5)

其中，δ(z)表示归一化后的分离曲线，Δθ为两条瞬态热阻抗曲线稳态热阻值的差值。

5、通过分离点判据ε确定瞬态热阻抗分离曲线的分离点，如附图6所示，得到器件结到壳的热阻值R_th-jc。

分离点判据ε如下式(6)所示：

ε＝0.0045(K/W)*Z_th+0.003 (6)

其中，Z_th(t)代表器件瞬态热阻抗，单位为K/W；分离点判据曲线的斜率为0.0045，截距为0.003。

分离点判据ε与归一化后的分离曲线δ(z)＝(Δda/dz)/Δθ的交点即为器件结到壳的热阻值R_th-jc。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可以对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率半导体器件结到壳热阻测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

(1)绘制器件电学参数结压降V_ce与结温T_j的关系曲线；

(2)绘制器件壳表面与散热基板间涂有液态金属时的瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)；

(3)绘制器件壳表面与散热基板间添加金属层时的瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)；

(4)绘制瞬态热阻抗分离点曲线；

(5)确定器件结壳热阻。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中包括：

(1.1)将测量夹具固定的时间放入恒温箱中；

(1.2)给试件输入感应电流I_sense，使试件产生结压降V_ce；

(1.3)将恒温箱升温到指定温度后自然降温，每降温5度采集一次结压降V_ce，并绘制结温与结压降的线性关系曲线。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括：

(2.1)用两个散热基板夹持试件，在器件壳与夹持试件的散热基板间涂敷液态金属，并通过测试夹具对试件施加工作压力F；

(2.2)给试件通入加热功率为P的加热电流I_drive直至内部结温T_j达到热平衡后，切换到感应电流I_sense；

(2.3)测量结压降V_ce，由步骤(1)得到的结温T_j与结压降V_ce的变化关系，求得结温T_j；

(2.4)按公式(1)绘制器件的瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)：

$Z_{th-jc\left(direct\right)}\left(t\right)=\frac{T_j\left(t\right)-T_c}{P}---\left(1\right)$

其中，T_j(t)：各个时刻的结温；T_c：t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中包括：

(3.1)将试件放置于测量夹具的上下两散热基板间，器件壳与散热基板间添加一层金属，对试件施加与步骤(2)中相同的工作压力F；

(3.2)给试件通入加热功率为P的加热电流I_drive直至内部结温T_j达到热平衡后，切换到感应电流I_sense；

(3.3)测量结压降V_ce，由步骤S1得到的结温T_j与结压降V_ce的变化关系，求得结温T_j；

(3.4)按公式(2)绘制器件的瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)：

$Z_{th-jc\left(metal\right)}\left(t\right)=\frac{T_j\left(t\right)-T_c}{P}---\left(2\right)$

其中，T_j(t)：各个时刻的结温；T_c：t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，绘制瞬态热阻抗分离点曲线的数学处理方法包括:

(4.1)对瞬态阻抗曲线进行对数化和变量代换，得下式(3)和(4)所示的变换公式：

a(z)_direct＝Z_{th-jc(direct)}(t＝exp(z)) (3)

a(z)_metal＝Z_th-jc(metal)(t＝exp(z)) (4)

其中，z＝ln(t)，a(z)＝Z_th-jc(t)，a(z)为中间变量；Z_th-jc(t)：试件结到壳的瞬态热阻抗曲线；

(4.2)对两条瞬态热阻抗曲线的变换公式进行微分求差得到如下式(5)所示分离曲线：

Δda/dz＝da(z)_metal/dz-da(z)_direct/dz (5)

(4.3)对式(5)所示的分离曲线进行归一化，得下式(6)所示的归一化后的分离曲线：

δ(z)＝(Δda/dz)/Δθ (6)

其中，Δθ为两条瞬态热阻抗曲线稳态热阻值的差值。

6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中，确定所述试件结壳热阻通过分离点判据确定瞬态热阻抗分离曲线的分离点：

所述分离点判据与分离曲线的交点即为试件结到壳的热阻值R_th-jc。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述分离点判据ε由下式(7)所示：

ε＝0.0045*Z_th+0.003 (7)

其中，Z_th(t)代表器件瞬态热阻抗，单位为K/W。

8.一种如权利要求1-7的任一权利要求所述的测量方法所用的测量夹具，其特征在于，所述测量夹具由水平方向基板和竖直方向的立柱连接而成；

所述基板包括上基板、下基板和中基板；

所述上基板和所述中基板两端的水平方向分别设有绝缘板和散热基板；

所述中基板和所述下基板间依次安装有压力均布装置、传感器、压力维持板和压力施加装置；

所述压力均布装置依次包括半球面和安装有碟簧的导柱；

所述压力施加装置依次包括顶杆和安装有显示仪表的基座。

9.如权利要求8所述的测量夹具，其特征在于，所述立柱穿过所述上基板和所述下基板；分别在所述上基板和所述下基板两侧设置螺母，以固定所述上基板和下基板；

所述压力维持板下侧设置螺母，以固定所述压力维持板。

10.如权利要求8所述的测量夹具，其特征在于，所述散热基板左右两侧分别设置冷却系统接口和直流母排接口。