CN106483441B - 一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法及系统，所述方法包括构建压接型功率半导体器件的有限元模型；在有限元模型中耦合压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布；依据耦合热应力后的有限元模型，仿真得到压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的压力分布；测量压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际压力分布；确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布。与现有技术相比，本发明提供的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法及系统，通过试验测量和仿真测量相结合的方式可以间接测量压接式功率半导体器件在任何工况条件下的压力分布和温度分布。
Description
技术领域
本发明涉及电力半导体测量技术领域，具体涉及一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法及系统。
背景技术
压接型功率半导体器件，如压接型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，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(High Voltage Direct Current，HVDC)、电力机车等高电压、大功率应用场合。
功率半导体器件内部各芯片的结温是影响器件可靠性最重要的因素之一，半导体芯片结温的准确测量也一直是器件应用最关注的问题之一。传统的功率半导体器件主要采用TO封装或焊接式封装，而针对此类封装形式功率半导体器件的结温测量方法主要包括光学方法、物理接触方法和电学方法。其中，
1、光学方法：功率半导体器件的很多光学特性都与温度有关，如冷光效应、喇曼效应、反射比以及激光偏转等，一般可以通过红外成像仪进行测量整个功率半导体器件内部的温度分布，但是需要将半导体器件内部的绝缘硅胶等去除并涂一层黑漆，通过红外成像仪测量的结果精度与红外成像仪的精度、测量角度、测量距离等都有一定的关系。
2、物理接触方法：物理接触方法主要是在功率半导体芯片表面涂一层温敏材料，如液晶或荧光粉，也可以采用热电偶直接测量芯片表面的温度来近似代替芯片的结温。但是采用热电偶测量的方法需要在芯片表面焊接一个热电偶，测量结果精度与热电偶放置的位置等有关系。
3、电学测量方法：电学测量方法的原理是首先得到功率半导体器件电学特性与结温的关系，然后通过测量半导体器件的电学参数，如电压或电流，即可转换得到半导体器件的结温。虽然通过电学测量法可以很方便地得到半导体器件的结温，但电学测量法只能得到一个平均温度值，并不能得到最高结温。
目前，采用上述结温测量方法测量压接型功率半导体器件内部各芯片的温度时还存在缺陷，下面以压接型IGBT为例进行说明。
图2为压接型IGBT的内部结构截面示意图，如图所示，压接型IGBT内各芯片组件内集电极1、集电极侧钼片3、硅芯片4、发射极侧钼片5、垫片6、基座12和发射极7顺次堆叠，通过在压接型IGBT的外壳施加压力使得各芯片组件保持良好地机械与电气接触，这种压接型封装与传统的焊接式封装完全不同。
若采用光学方法测量压接型IGBT内各芯片组件的结温，需要将半导体芯片外置才能通过红外成像仪拍摄到芯片表面的温度分布，而压接型IGBT被密封在两个钼片之间，无法通过红外成像仪测量器件内部的温度分布。
若采用物理接触方法测量压接型IGBT内各芯片组件的结温，需要在半导体芯片表面焊接热电偶，而置入的热电偶不仅会使压接型IGBT受力不均而损坏，而且热电偶的也会被强大的外部压力损坏。
若采用电学测量方法测量压接型IGBT内各芯片组件的结温，只能等效测量压接型IGBT内部所有并联芯片的平均结温，并不能单独测量一个芯片的结温，即不能测量器件内部的温度分布情况
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法及系统。
第一方面，本发明中一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法的技术方案是：
所述方法包括：
构建压接型功率半导体器件的有限元模型；
在所述有限元模型中耦合所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布；
依据所述耦合热应力后的有限元模型，仿真得到所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的第一压力分布；
测量所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际压力分布；
依据所述第一压力分布和所述实际压力分布，确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：
所述压接型半导体功率器件包括集电极、发射极和多个并联的半导体芯片组件；所述的多个半导体芯片组件设置在所述集电极和发射极之间；所述半导体芯片组件包括顺次叠层布置在子单元框架内的集电极侧钼片、半导体芯片、发射极侧钼片和垫片；所述集电极侧钼片与所述集电极直接接触，所述垫片与所述发射极接触；
所述构建压接型功率半导体器件的有限元模型之前包括：
在所述集电极和集电极侧钼片之间设置多个压力垫片传感器，用于测量所述半导体芯片组件承受的压力。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述在有限元模型中耦合半导体芯片的热应力之前还包括：
测量所述压接型功率半导体器件在正常加压条件下其内部的压力分布，并依据所述压力分布修正所述有限元模型。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：测量压接型功率半导体器件在正常加压条件下其内部的压力分布包括：
通过设置在所述压接型半导体功率器件内各半导体芯片组件中的压力垫片传感器，测量各半导体芯片组件承受的压力，从而得到所述压接型功率半导体器件内部的压力分布。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布包括：
依据所述第一压力分布确定与所述实际压力分布中各压力值对应的各热应力，从而得到所述压接型功率半导体器件内部的实际热应力分布；
依据所述实际热应力计算实际温度分布。
第二方面，本发明中一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量系统的技术方案为：
所述系统包括：
压接型功率半导体器件；
压力采集模块，用于采集所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际压力分布，以及在正常加压条件下其内部的压力分布；
有限元模型构建模块，用于构建压接型功率半导体器件的有限元模型，并在所述有限元模型中耦合所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布；
仿真分析模块，用于依据所述耦合热应力后的有限元模型，仿真得到所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的第一压力分布，以及依据所述第一压力分布和所述实际压力分布，确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：
所述压接型半导体功率器件包括集电极、发射极和多个并联的半导体芯片组件；所述的多个半导体芯片组件设置在所述集电极和发射极之间；
所述半导体芯片组件包括顺次叠层布置在子单元框架内的压力垫片传感器、集电极侧钼片、半导体芯片、发射极侧钼片和垫片；所述集电极侧钼片与所述集电极直接接触，所述垫片与所述发射极接触；所述压力垫片传感器用于测量所述半导体芯片承受的压力。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述有限元构建模块包括修正单元；
所述修正单元，用于依据所述压接型功率半导体器件在正常加压条件下其内部的压力分布修正所述有限元模型。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述分析模块包括实际热应力分布计算单元和实际温度分布计算单元；
所述实际热应力分布计算单元，用于依据第一压力分布确定与所述实际压力分布中各压力值对应的各热应力，从而得到所述压接型功率半导体器件内部的实际热应力分布；
所述实际温度分布计算单元，用于依据所述实际热应力计算实际温度分布。
与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法，通过试验测量和有限元仿真相结合的方式可以间接测量压接式功率半导体器件在任何工况条件下的压力分布和温度分布；
2、本发明提供的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量系统，测量系统通过分析压接型功率半导体器件内的压力分布，可以间接测量压接式功率半导体器件在任何工况条件下的温度分布。
附图说明
图1：本发明实施例中一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法实施流程示意图；
图2：压接型IGBT的内部结构截面示意图；
图3：本发明实施例中压接型功率半导体器件内部结构示意图；
图4：本发明实施例中压接型功率半导体器件内部结构的局部放大示意图；
其中，1：集电极；2：压力垫片；3：集电极侧钼片；4：半导体器件芯片；5：发射极侧钼片；6：银垫片；7：发射极；8：电极法兰；9：陶瓷管壳；10：芯片组件框架；11：PCB板；12：基座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图，对本发明实施例提供的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法进行说明。
图1为本发明实施例中一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法实施流程示意图，如图所示，本实施例中压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法可以按照下述步骤实施，具体为：
步骤S101：构建压接型功率半导体器件的有限元模型。
步骤S102：在有限元模型中耦合压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布。
步骤S103：依据耦合热应力的有限元模型，仿真得到压接型功率半导体器件在所述预置工况条件下其内部的第一压力分布。
步骤S104：测量压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际压力分布。
步骤S105：依据步骤S103得到的第一压力分布和步骤S104得到的实际压力分布，确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布。
本实施例中通过试验测量和有限元仿真相结合的方式可以间接测量压接式功率半导体器件在任何工况条件下的压力分布和温度分布。
进一步地，本实施例中步骤S101可以采用下述步骤实施。
1、获取压接型功率半导体器件的拓扑结构。
图3为本发明实施例中压接型功率半导体器件内部结构示意图，图4为本发明实施例中压接型功率半导体器件内部结构的局部放大示意图，如图所示，本实施例中压接型半导体功率器件包括集电极1、发射极7、电极法兰8、陶瓷管壳9和多个并联的半导体芯片组件。其中半导体芯片组件设置在集电极1与发射极7之间。
半导体芯片组件包括顺次叠层布置在子单元框架10内的集电极侧钼片3、半导体芯片4、发射极侧钼片5和垫片6。集电极侧钼片3与集电极1直接接触，垫片6与发射极7接触。本实施例中集电极侧钼片3和发射极侧钼片5可以保护半导体芯片4不受压力损坏，垫片6用于补偿半导体芯片组件内部各部件的加工误差，子单元框架10用于固定集电极侧钼片3、半导体芯片4、发射极侧钼片5和垫片6，以形成一个独立的子单元。
电极法兰8和陶瓷管壳9为压接型功率半导体器件提供密封环境，防止半导体芯片4受到外部环境的污染。
PCB板11为半导体芯片4提供门极驱动信号。
2、在集电极1和集电极侧钼片3之间设置多个压力垫片传感器2，用于测量半导体芯片组件承受的压力。
3、依据添加压力垫片传感器2的压接型功率半导体器件构建有限元模型。
本实施例中压力垫片传感器2的检测范围为0～5kN。
进一步地，本实施例中步骤S102可以采用下述步骤实施。
1、测量压接型功率半导体器件在正常加压条件下其内部的压力分布，并依据压力分布修正步骤S101构建的有限元模型。
本实施例中通过设置在压接型半导体功率器件内各半导体芯片组件中的压力垫片传感器，测量各半导体芯片组件承受的压力，从而得到压接型功率半导体器件内部的压力分布。
2、在修正后的有限元模型中耦合压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布。其中预置工况指的是根据实际要求提前定义的工况。
进一步地，本实施例中步骤S105可以采用下述步骤实施。
1、依据第一压力分布确定与实际压力分布中各压力值对应的各热应力，从而得到压接型功率半导体器件内部的实际热应力分布。
2、依据实际热应力计算实际温度分布。
本发明还提供了一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量系统，并给出具体实施例。
本实施例中压接型功率半导体器件内部温度分布测量系统包括下述结构：
压接型功率半导体器件。
压力采集模块，用于采集压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际压力分布，以及在正常加压条件下其内部的压力分布。
有限元模型构建模块，用于构建压接型功率半导体器件的有限元模型，并在有限元模型中耦合压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布。
仿真分析模块，用于依据耦合热应力后的有限元模型，仿真得到压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的第一压力分布，依据第一压力分布和实际压力分布，确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布。
本实施例中测量系统通过分析压接型功率半导体器件内的压力分布，可以间接测量压接式功率半导体器件在任何工况条件下的温度分布。
进一步地，本实施例中压接型功率半导体器件可以包括下述结构。
本实施例中压接型半导体功率器件包括集电极1、发射极7、电极法兰8、陶瓷管壳9和多个并联的半导体芯片组件。其中半导体芯片组件设置在集电极1与发射极7之间。
半导体芯片组件包括顺次叠层布置在子单元框架10内的压力垫片传感器2、集电极侧钼片3、半导体芯片4、发射极侧钼片5和垫片6。集电极侧钼片3与集电极1直接接触，垫片6与发射极7接触。本实施例中集电极侧钼片3和发射极侧钼片5可以保护半导体芯片4不受压力损坏，垫片6用于补偿半导体芯片组件内部各部件的加工误差，子单元框架10用于固定集电极侧钼片3、半导体芯片4、发射极侧钼片5和垫片6，以形成一个独立的子单元，压力垫片传感器2用于测量半导体芯片4承受的压力。
电极法兰8和陶瓷管壳9为压接型功率半导体器件提供密封环境，防止半导体芯片4受到外部环境的污染。
PCB板11为半导体芯片4提供门极驱动信号。
进一步地，本实施例中有限元构建模块可以包括下述结构。
本实施例中有限元构建模块包括修正单元，用于依据压接型功率半导体器件在正常加压条件下其内部的压力分布修正所述有限元模型。
进一步地，本实施例中分析模块可以包括下述结构。
本实施例中分析模块包括实际热应力分布计算单元和实际温度分布计算单元。其中，
实际热应力分布计算单元，用于依据第一压力分布确定与实际压力分布中各压力值对应的各热应力，从而得到压接型功率半导体器件内部的实际热应力分布。
实际温度分布计算单元，用于依据实际热应力计算实际温度分布。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法，其特征在于，所述方法包括：
构建压接型功率半导体器件的有限元模型；
在所述有限元模型中耦合所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布；
依据耦合热应力分布后的有限元模型，仿真得到所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的第一压力分布；
测量所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际压力分布；
依据所述第一压力分布和所述实际压力分布，确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布。
2.如权利要求1所述的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法，其特征在于，
所述压接型功率半导体器件包括集电极、发射极和多个并联的半导体芯片组件；所述的多个半导体芯片组件设置在所述集电极和发射极之间；所述半导体芯片组件包括顺次叠层布置在子单元框架内的集电极侧钼片、半导体芯片、发射极侧钼片和垫片；所述集电极侧钼片与所述集电极直接接触，所述垫片与所述发射极接触；
所述构建压接型功率半导体器件的有限元模型之前包括：
在所述集电极和集电极侧钼片之间设置多个压力垫片传感器，用于测量所述半导体芯片组件承受的压力。
3.如权利要求1所述的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法，其特征在于，所述在有限元模型中耦合所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布之前还包括：
测量所述压接型功率半导体器件在正常加压条件下其内部的压力分布，并依据所述压力分布修正所述有限元模型。
4.如权利要求3所述的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法，其特征在于，测量压接型功率半导体器件在正常加压条件下其内部的压力分布包括：
通过设置在所述压接型功率半导体器件内各半导体芯片组件中的压力垫片传感器，测量各半导体芯片组件承受的压力，从而得到所述压接型功率半导体器件内部的压力分布。
5.如权利要求1所述的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量方法，其特征在于，所述确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布包括：
依据所述第一压力分布确定与所述实际压力分布中各压力值对应的各热应力，从而得到所述压接型功率半导体器件内部的实际热应力分布；
依据所述实际热应力计算实际温度分布。
6.一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量系统，其特征在于，所述系统包括：
压接型功率半导体器件；
压力采集模块，用于采集所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际压力分布，以及在正常加压条件下其内部的压力分布；
有限元模型构建模块，用于构建压接型功率半导体器件的有限元模型，并在所述有限元模型中耦合所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的热应力分布；
仿真分析模块，用于依据所述耦合热应力分布后的有限元模型，仿真得到所述压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的第一压力分布，以及依据所述第一压力分布和所述实际压力分布，确定压接型功率半导体器件在预置工况条件下其内部的实际温度分布。
7.如权利要求6所述的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量系统，其特征在于，
所述压接型功率半导体器件包括集电极、发射极和多个并联的半导体芯片组件；所述的多个半导体芯片组件设置在所述集电极和发射极之间；
所述半导体芯片组件包括顺次叠层布置在子单元框架内的压力垫片传感器、集电极侧钼片、半导体芯片、发射极侧钼片和垫片；所述集电极侧钼片与所述集电极直接接触，所述垫片与所述发射极接触；所述压力垫片传感器用于测量所述半导体芯片承受的压力。
8.如权利要求6所述的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量系统，其特征在于，所述有限元模型构建模块包括修正单元；
所述修正单元，用于依据所述压接型功率半导体器件在正常加压条件下其内部的压力分布修正所述有限元模型。
9.如权利要求6所述的一种压接型功率半导体器件内部温度分布测量系统，其特征在于，所述仿真分析模块包括实际热应力分布计算单元和实际温度分布计算单元；
所述实际热应力分布计算单元，用于依据第一压力分布确定与所述实际压力分布中各压力值对应的各热应力，从而得到所述压接型功率半导体器件内部的实际热应力分布；
所述实际温度分布计算单元，用于依据所述实际热应力计算实际温度分布。
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