CN108885231A - 用于估计包括至少一个芯片的功率半导体模块的损坏程度或寿命预期的方法和装置 - Google Patents
用于估计包括至少一个芯片的功率半导体模块的损坏程度或寿命预期的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于估计功率半导体模块(10)的损坏程度或寿命预期的方法，该功率半导体模块(10)包括在机械和电气上附接到陶瓷基板(104)的至少一个芯片(100a、100b)。陶瓷基板(104)具有压电特性，并且方法包括以下步骤：·‑控制至少一个功率芯片(100a、100b)，对至少一个功率芯片(100a、100b)的控制在陶瓷基板(104)上阐述电位的变化；·‑获得表示陶瓷基板(104)的机械变形的信息；·‑根据所获得的信息和基准信息确定是否需要执行指示损坏程度或寿命预期的通知；·‑以及如果确定步骤确定需要执行通知，则通知损坏程度或寿命预期。
Description
技术领域
本发明总体涉及用于估计功率半导体模块的损坏程度或寿命预期的方法和装置，该功率半导体模块包括在机械、热和电气上附接到陶瓷基板的至少一个芯片。
背景技术
在功率电子器件领域中，一些部件被认为是脆弱的，功率半导体模块是它们中的一种。
在功率半导体模块中，一个或若干功率半导体芯片在机械、热和电气上附接到基板。由于结构例如硅、碳化硅、氮化镓、焊料、烧结膏、同、陶瓷、铝的中不同材料之间的热膨胀失配，产生机械应力。机械应力会影响功率半导体模块的结构，例如裂缝、空隙、材料和/或界面的剥离，并且可能导致功率半导体模块故障。
例如，在电组件用于电动汽车中时，识别在车辆上的哪些电组件已经达到重大的损坏程度是重要的。制造商可以警告客户并提出对接近损坏的电组件的控制/交换。该服务为车队提供质量提高的控制。
这对于维护成本过高且接近受限的离岸风车队同样发生。
发明内容
本发明的目的在于估计对于制造商和/或客户而言为重要特征的、电组件的损坏程度。
为此，本发明涉及一种用于估计功率半导体模块的损坏程度或寿命预期的方法，该功率半导体模块包括至少一个芯片，该至少一个芯片在机械和电气上附接到陶瓷基板，该方法的特征在于：陶瓷基板具有压电特性，并且方法包括以下步骤：
-控制至少一个功率芯片，对至少一个功率芯片的控制在陶瓷基板上产生电位的变化；
-获得表示陶瓷基板的机械变形的信息；
-根据所获得的信息和基准信息确定是否需要执行指示损坏程度或寿命预期的通知；以及
-如果确定步骤确定需要执行通知，则通知损坏程度或寿命预期。
本发明还涉及一种用于估计功率半导体模块的损坏程度或寿命预期的装置，该功率半导体模块包括至少一个芯片，该至少一个芯片在机械和电气上附接到陶瓷基板，该装置的特征在于：陶瓷基板具有压电特性，并且装置包括：
-用于控制至少一个功率芯片的单元，至少一个功率芯片的控制在陶瓷基板上产生电位的变化；
-用于获得表示陶瓷基板的机械变形的信息的单元；
-用于根据所获得的信息和基准信息确定是否需要执行指示损坏程度或寿命预期的通知的单元；以及
-用于如果确定步骤确定需要执行通知，则通知损坏程度或寿命预期的单元。
由此，使用陶瓷基板的机械变形来提供与功率半导体模块的劣化程度有关的信息。由此，可以估计损坏程度。
根据特定特征，表示陶瓷基板的机械变形的信息是在陶瓷基板上流动的共模电流。
由此，可以在功率半导体模块的外部，例如在功率半导体模块的散热器与地面之间，测量共模电流。功率半导体模块不需要另外的传感器。
根据特定特征，直接测量共模电流。
由此，可以使用简单电流传感器，例如在散热器与地电位之间。
根据特定特征，间接测量共模电流。
由此，可以使用差分电流传感器，例如在向功率半导体模块供电的两个导体之间。
根据特定特征，使用附接在陶瓷基板的顶面的铜垫来获得表示陶瓷基板的机械变形的信息。
由此，基板上的小的区域用作低成本机电传感器。
根据特定特征，表示陶瓷基板的机械变形的信息是铜垫与陶瓷基板的底部处的铜层之间的电压。
由此，可以使用简单差分电压传感器。
根据特定特征，在用作电极的铜垫与陶瓷基板的底部处的铜层之间施加DC电压，并且表示陶瓷基板的机械变形的信息是流过铜垫的电流。
根据特定特征，表示陶瓷基板的机械变形的信息使用集成在功率半导体模块中的机电探测器来获得。
由此，可以执行较灵敏和/或选择性的测量。
根据特定特征，使用光源来获得表示陶瓷基板的机械变形的信息，该光源生成被陶瓷基板的表面反射并由光学传感器接收的光束。
由此，在基板的表面上使用较小的区域来生成较灵敏和/或选择性的测量结果。
根据特定特征，通过在频域中由快速傅里叶变换对表示机械变形的信息进行转换来确定对是否需要执行指示损坏程度或寿命预期的通知。
由此，可以更容易地检测频率修改和/或衰减/放大。
根据特定特征，通过确定主频率与初始的一组主频率之间的距离来确定对是否需要执行指示损坏程度或寿命预期的通知。
由此，可以量化谐振频率的演变。
根据特定特征，所述距离基于预定频率处的幅值和所述预定频率处的初始幅值。
由此，可以量化谐振频率的阻尼。本发明的特性将从示例实施方式的以下描述的阅读更清楚地显现，所述描述参照附图来产生，附图中：
附图说明
[图1]图1表示根据本发明的用于确定功率半导体模块的损坏评估的系统的架构的示例。
[图2a]图2a表示根据本发明的实现的第一模式的功率半导体模块的架构的示例。
[图2b]图2b表示根据本发明的实现的第二模式的功率半导体模块的架构的示例。
[图2c]图2c表示根据本发明的实现的第三模式的功率半导体模块的架构的示例。
[图2d]图2d表示根据本发明的实现的第四模式的功率半导体模块的架构的示例。
[图3]图3表示根据本发明的用于估计功率半导体模块的损坏程度的装置的示例。
[图4]图4表示根据本发明的用于确定功率半导体模块的损坏评估程度的算法的示例。
[图5]图5表示对于陶瓷基板的不同损坏程度在陶瓷基板上流动的共模电流的示例。
具体实施方式
图1表示根据本发明的用于确定功率半导体模块的损坏评估的系统的架构的示例。
用于确定功率半导体模块的损坏评估的系统例如在电动汽车或火车或离岸风车中实施。
损坏评估装置20用于确定至少一个功率半导体模块的损坏程度。
在图1的示例中，损坏评估装置20用于确定功率半导体模块10的损坏程度。
损坏评估装置20评价包含一个或更多个功率半导体芯片的功率半导体模块10的健康状态。损坏评估装置20在电激励功率模块的功率芯片时基于陶瓷基板机电响应执行在线劣化定位。换句话说，功率半导体模块10的基板的陶瓷基板机电响应实时更新，并且陶瓷基板机电响应的演变用作功率半导体模块10内的结构变化的指示。
更准确来说，陶瓷基板，例如为氮化铝的基板或为掺杂有二氧化锆的氧化铝的基板，具有压电特性。由于附属于陶瓷基板的功率的高切换瞬变，在基板内产生机械冲击。机械冲击在故障发生时不同地传播和/或谐振。
功率半导体模块的陶瓷基板具有固有的机电特性。一个示例是氮化铝(AlN)直接接合铜(DBC)陶瓷基板，该基板由于其优秀的热特性而常用于高功率装置中，并且具有压电特性。在功率半导体模块的工作期间，在陶瓷基板上的电位以高的dV/dt(在1至100V/ns的量级上)变化。该高压瞬变引起导致陶瓷基板中的机械变形/激励，其根据功率半导体模块结构的机械特性在整个功率半导体模块内传播。
例如，在功率半导体模块包含裂缝、空隙或剥离时，其机械特性改变，并且机械变形/激励不同地传播，例如，频率内容和/或机械变形的阻尼变化。因为该机械变形由于陶瓷基板的机电特性而引起，所以该机械变形在这里被称为“陶瓷基板机电响应”。
根据本发明的实现的第一模式，损坏评估装置20监测在陶瓷基板上流动的共模电流，并且陶瓷基板用作机电传感器。
如下文中将公开的，共模电流可以直接或间接测量。
根据本发明的实现的第二模式，损坏评估装置20使用附接在陶瓷基板上的铜垫。例如，铜垫被定位在陶瓷基板的顶面。例如，测量该铜垫与底部铜层之间的电压。在实现的第二模式的实现变型例中，在用作电极的铜垫与底部铜层之间施加高的DC电压，并且用电流传感器，例如分路电阻器或其他高频率响应能力传感器，直接测量流过铜垫的电流。
根据本发明的实现的第三模式，损坏评估装置20使用集成在功率半导体模块中的特定机电探测器。机电探测器是可以为不同种类的机电装置。例如，机电探测器为由至少一种电致伸缩材料组成的子组件。诸如陶瓷电容器的压电装置是这种子组件的一个示例。例如，机电探测器为由至少一种磁致伸缩材料组成的子组件。由磁化线圈和磁致伸缩铁磁材料组成的电感器是这种子组件的一个示例。
根据本发明的实现的第四模式，损坏评估装置20使用光源，该光源生成被陶瓷基板的表面反射并由光学传感器接收的光束。根据在陶瓷基板内产生的机械冲击，由光学传感器接收的光学信号被修改。
对于实施方案的第四模式，损坏评估装置至少包括将稍后描述的模拟电路和处理器。
图2a表示根据本发明的实现的第一模式的功率半导体模块的架构的示例。
功率半导体模块10包括被标记为100a和100b的两个芯片。芯片100a借助焊料层101a连接到铜层102a，并且借助焊线103a连接到另一铜层102c。芯片100b借助焊料层101b连接到铜层102b，并且借助焊线103b连接到铜层102a。铜层102在陶瓷基板104上。
铜层105在陶瓷基板的底部。铜层102、105以及基板104形成直接接合铜(DBC)。
DBC焊接在底板107上，该底板借助热界面108固定在散热器109上。
根据实现的第一模式，直接测量向接地散热器109流过陶瓷基板的共模电流。例如，散热器109借助电流传感器连接到地电位。在变型例中，共模电流被确定为经过向功率半导体模块提供正电源和负电源的两个导体的电流差。
图2b表示根据本发明的实现的第二模式的功率半导体模块的架构的示例。
功率半导体模块10包括被标记为100a和100b的两个芯片。芯片100a借助焊料层101a连接到铜层102a，并且借助焊线103a连接到另一铜层102c。芯片100b借助焊料层101b连接到铜层102b，并且借助焊线103b连接到铜层102a。铜层102在陶瓷基板104上。
铜层105在陶瓷基板的底部。铜层102、105以及基板104形成直接接合铜(DBC)。
DBC焊接在底板107上，该底板借助热界面108固定在散热器109上。
根据实现的第二模式，铜垫200附接在陶瓷基板104上。例如，铜垫200被定位在陶瓷基板104的顶面。例如，测量铜垫200与铜层105或散热器109之间的电压。在实现的第二模式的实现变型例中，在用作电极的铜垫200与铜层105或散热器109之间施加高DC电压，并且用电流传感器，例如分路电阻器或其他高频率响应能力传感器，直接测量流过铜垫200的电流。
图2c表示根据本发明的实现的第三模式的功率半导体模块的架构的示例。
功率半导体模块10包括被标记为100a和100b的两个芯片。芯片100a借助焊料层101a连接到铜层102a，并且借助焊线103a连接到另一铜层102c。芯片100b借助焊料层101b连接到铜层102b，并且借助焊线103b连接到铜层102a。铜层102在陶瓷基板104上。
铜层105在陶瓷基板的底部。铜层102、105以及基板104形成直接接合铜(DBC)。
DBC焊接在底板107上，该底板借助热界面108固定在散热器109上。
根据实现的第三模式，机电探测器220附接在陶瓷基板104上。机电探测器是至少由电致伸缩材料组成的子组件，例如陶瓷电容器，或由磁致伸缩材料组成的子组件，例如由磁化线圈和磁致伸缩铁磁材料组成的电感器。测量在这种机电探测器上的电压或电流。
图2d表示根据本发明的实现的第四模式的功率半导体模块的架构的示例。
功率半导体模块10包括被标记为100a和100b的两个芯片。芯片100a借助焊料层101a连接到铜层102a，并且借助焊线103a连接到另一铜层102c。芯片100b借助焊料层101b连接到铜层102b，并且借助焊线103b连接到铜层102a。铜层102在陶瓷基板104上。
铜层105在陶瓷基板的底部。铜层102、105以及基板104形成直接接合铜(DBC)。
DBC焊接在底板107上，该底板借助热界面108固定在散热器109上。
根据实现的第四模式，光源240生成光束，该光束被陶瓷基板104的表面反射并由光学传感器260接收。根据在陶瓷基板104内产生的机械冲击，由光学传感器260接收的光学信号被修改。
图3表示根据本发明的用于估计功率半导体模块的损坏程度的装置的示例。
损坏评估装置20例如具有基于由总线301连接在一起的部件和受如图4公开的程序控制的处理器300的架构。
总线301将处理器300联接到只读存储器ROM 302、随机存取存储器RAM 303、输入输出接口I/O IF 305以及通知装置307。
存储器303包含寄存器，这些寄存器旨在接收与如图4公开的算法有关的程序的变量和指令。
处理器300借助输入输出I/O IF 305接收例如所感测的温度或所感测的电压或电流，这些温度或电压或电流表示功率半导体模块10的陶瓷基板机电响应。输入输出I/O IF305包括模拟部件。
处理器300可以将通知装置307命令为通知功率半导体模块10的损坏程度，或者可以将通知装置307命令为通知功率半导体模块10的寿命预期。
只读存储器，或可能为闪速存储器302包含与如图4所公开的算法有关的程序的指令，这些指令在损坏评估装置20通电时到随机存取存储器303。
损坏评估装置20可以通过由可编程计算机(诸如PC(个人计算机)、DSP(数字信号处理器)或微控制器)执行一组指令或程序在软件中实施，或由机器或专用部件(诸如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))在硬件中实施。
换言之，损坏评估装置20包括电路或包括电路的装置，该电路或装置使得损坏评估装置20执行与如图4所公开的算法有关的程序。
图4表示根据本发明的用于确定功率半导体模块的损坏评估程度的算法的示例。
本算法在它由处理器300执行的示例中公开。
在步骤S400处，处理器300检查是否是时候评价功率半导体模块10的损坏评估程度。
因为陶瓷基板机电响应由于它由在陶瓷基板上的电压瞬变引起而在功率半导体模块的切换操作期间生成，所以通常连续测量陶瓷基板机电响应，并且以周期间隔存储并处理测量数据，以执行健康评估。由此，使用有限数量的数据，并且减少存储和处理工作。
通常，陶瓷基板机电响应损坏评估的时刻基于与简单地为各上电时的参数有关的信息来决定，诸如自最近的损坏评估评价以来经过的时间、和/或被定义为自最近损坏评估评价以来的温度变化或振动的应力循环的数量、功率半导体模块的温度、由功率半导体模块提供的负载电流的电平、由功率半导体模块提供的电压的电平。由此，在劣化很可能已经发生时执行损坏评估评价，并且减少存储和处理工作。
例如，每天、在功率半导体模块内部的温度已知且稳定时、对于给定负载电流和电压、在不存在外部振动的情况下执行损坏评估评价。
例如，当在功率半导体模块被包括在离岸风车中包括时，每当停止风车时或在自最近测量以来的应力循环的数量大于预定义阈值且温度被监测以由数据处理补偿时执行损坏评估评价。
如果是时候评价功率半导体模块10的损坏评估程度，则处理器300移至步骤S401。否则，处理器300返回至步骤S400。
在步骤S401处，处理器300将命令输入输出接口I/O IF 305获得测量结果。
根据实现的第一模式，处理器300获得向接地散热器109的共模电流的直接测量结果，或者处理器300获得经过向功率半导体模块提供正电源和负电源的两个导体的所测量电流，并且确定所测量电流的差。
根据实现的第二模式，处理器300获得铜垫200与铜层105或散热器109之间的测量电压，或者处理器300命令生成要在用作电极的铜垫200与铜层105或散热器109之间施加的高DC电压，并且获得流过铜垫200的所测量电流。
根据实现的第三模式，处理器300获得机电探测器220的信号响应。
根据实现的第四模式，处理器300命令生成被陶瓷基板104的表面反射的光束的光源240，并且从光学传感器260获得表示所接收光束的电信号。
在下一步骤S402处，处理器300处理在步骤S401处获得的测量结果。
数据处理在于将老化的功率半导体模块的所获取陶瓷基板机电响应与处于健康状态的功率半导体模块的初始陶瓷基板机电响应测量进行比较。健康陶瓷基板机电响应测量结果可以在第一基板机电响应获取期间生成，或者可以在每当对功率半导体模块执行维护检查/动作时重新生成。数据处理涉及数据转换和/或选择的第一步骤。例如，由快速傅里叶变换在频域中转换信号。由此，可以选择与功率模块的可能自谐振模式对应的特定频率范围。数据处理涉及数据比较的第二步骤。例如，识别特定频率范围内的主频率，并且定义将这些主频率与初始的主频率进行比较的距离。距离通常为均方根函数。在另一示例中，识别特定频率下的频谱的振幅，并且定义将该振幅与该相同频率下的频谱的初始振幅进行比较的距离。
通常，处理器300使用距离度量来将老化功率半导体模块的所获取陶瓷基板机电响应与初始陶瓷基板机电响应测量进行比较。一个示例是二次距离，诸如均方根差。
数据处理涉及损坏评估的第三步骤。
在第一实施方式中，处理器300将距离度量与阈值进行比较。如果距离高于阈值，则检测到损坏，并且可以在下一通知步骤中生成警告，例如，如果与半导体功率模块的特定谐振模式对应的频率移位至少5％，则识别损坏。
在另一实施方式中，由可以采取不同形式的算法处理在老化的功率半导体模块的所获取陶瓷基板机电响应与初始陶瓷基板机电响应之间的距离。例如，处理器400执行距离随着时间的外推，以定义距离和阈值之间的交叉点的时间。
在这种情况下，使用存储在存储器中的所确定距离的历史。例如，使用所确定距离的选择。所确定距离的选择的演变可以拟合到距离的典型演变的模型。
外推基于用于确定功率半导体模块的损坏评估的模型。模型可以为物理的或经验的，即，来自由其他系统提供的数据。
模型可以使用对基准功率半导体模块的功率循环实验事先创建。模型可以在产品的操作期间更新。
例如，处理器300将距离与阈值进行比较，并且如果至少一个距离超过阈值，则处理器300移至步骤S403，以生成警告或剩余寿命估计。
在步骤S403处，处理器300将通知装置307命令为通知功率半导体模块10的损坏程度，或者可以命令通知装置307通知功率半导体模块10的寿命预期。
通知可以采取电信号的形式，该电信号可以发送给用户或产品的主控制器。该电信号提供与故障的出现或与故障之前的剩余时间有关的信息。
图5表示对于陶瓷基板的不同损坏程度在陶瓷基板上流动的共模电流的示例。
横轴表示单位为微秒的时间，并且纵轴表示单位为mA的电流。
曲线50、52以及54表示在100ns中1KV的电压瞬变之后的共模电流变化。
如图5所示，在电压瞬变之后，在几mA与1至10Mhz范围内的振荡发生。
被标记为50的曲线表示在存在出现在将功率芯片联接到铜层102a的焊料层101a上的4mm裂缝时在陶瓷基板上流动的共模电流。
被标记为52的曲线表示当在将功率芯片联接到铜层102a的焊料层101a上不存在裂缝时在陶瓷基板上流动的共模电流。
被标记为54的曲线表示在存在出现在将功率芯片联接到铜层102a的焊料层101a上的2mm裂缝时在陶瓷基板上流动的共模电流。
如图5所示，然后可以估计功率半导体模块的损坏程度或寿命预期，该功率半导体模块包括在机械、热和电气上附接到陶瓷基板的至少一个芯片。
当然，可以在不偏离本发明的范围的情况下对以上所描述的本发明的实施方式进行许多修改。
Claims (13)
1.一种用于估计功率半导体模块的损坏程度或寿命预期的方法，该功率半导体模块包括至少一个芯片，该至少一个芯片在机械和电气上附接到陶瓷基板，其特征在于：所述陶瓷基板具有压电特性并且所述方法包括以下步骤：
-控制所述至少一个功率芯片，对所述至少一个功率芯片的所述控制在所述陶瓷基板上产生电位的变化；
-获得表示所述陶瓷基板的机械变形的信息；
-根据所获得的信息和基准信息确定是否需要执行指示所述损坏程度或所述寿命预期的通知；以及
-如果所述确定步骤确定需要执行通知，则通知所述损坏程度或所述寿命预期。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：表示所述陶瓷基板的所述机械变形的信息是在所述陶瓷基板上流动的共模电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：直接测量所述共模电流。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：间接测量所述共模电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用附接在所述陶瓷基板的顶面的铜垫来获得表示所述陶瓷基板的所述机械变形的信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：表示所述陶瓷基板的所述机械变形的信息是所述铜垫与在所述陶瓷基板的底部处的铜层之间的电压。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在用作电极的所述铜垫与在所述陶瓷基板的底部处的铜层之间施加DC电压，并且表示所述陶瓷基板的所述机械变形的信息是流过所述铜垫的电流。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用集成在所述功率半导体模块中的机电探测器来获得表示所述陶瓷基板的所述机械变形的信息。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用光源来获得表示所述陶瓷基板的所述机械变形的信息，该光源生成被所述陶瓷基板的表面反射并由光传感器接收的光束。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于：通过在频域中通过快速傅里叶变换对表示所述机械变形的所述信息进行转换来确定是否需要执行指示所述损坏程度或所述寿命预期的通知。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：通过确定主频率与初始的一组主频率之间的距离来确定是否需要执行指示所述损坏程度或所述寿命预期的通知。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述距离基于预定频率处的幅值和所述预定频率处的初始幅值。
13.一种用于估计功率半导体模块的损坏程度或寿命预期的装置，该功率半导体模块包括至少一个芯片，该至少一个芯片在机械和电气上附接到陶瓷基板，其特征在于：所述陶瓷基板具有压电特性并且所述装置包括：
-用于控制所述至少一个功率芯片的单元，对所述至少一个功率芯片的所述控制在所述陶瓷基板上产生电位的变化；
-用于获得表示所述陶瓷基板的机械变形的信息的单元；
-用于根据所获得的信息和基准信息确定是否需要执行指示所述损坏程度或所述寿命预期的通知的单元；以及
-用于如果所述确定步骤确定需要执行所述通知则通知所述损坏程度或所述寿命预期的单元。
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