CN112885824B - 一种碳化硅功率模块、器件及其老化状态识别方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种碳化硅功率模块、器件及其老化状态识别方法，用以解决现有的考察碳化硅功率模块老化状态的方法不能实时反映碳化硅功率模块老化状态的技术问题。模块包括：覆铜陶瓷基板、铜基板、焊料层、MOS芯片以及预设数量的热电偶；焊料层与覆铜陶瓷基板复合，且覆铜陶瓷基板的中心位置固定有热电偶；MOS芯片固定于覆铜陶瓷基板上，且MOS芯片对应的铜基板底部位置固定有热电偶。识别方法包括：实时获取碳化硅功率模块上预设数量的热电偶分别对应的温度值，以确定温度分布矩阵；确定碳化硅功率模块对应的热阻值；通过预存的热阻值与老化状态关系，确定碳化硅功率模块的老化状态。本申请通过上述方法可以实时反映碳化硅功率模块的老化状态。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种碳化硅功率模块、器件及其老化状态识别方法。
背景技术
与传统的硅功率模块相比，碳化硅功率模块可以有效的实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。但是，碳化硅功率模块增加了设计难度、降低了设计裕量、增加了失效的可能性。而且碳化硅模块由于材料性质以及应用场景的原因，大多数条件下的工作条件较为严苛，这也就意味着碳化硅功率模块的使用寿命大大缩短。
现有的对碳化硅功率模块的老化状态进行识别，考察碳化硅功率模块使用寿命的方法，主要是通过功率循环测试实现的。但这种方法是在实验室条件下进行测试的，无法实时反映碳化硅功率模块的老化状态。
发明内容
本申请提供了一种碳化硅功率模块、器件及其老化状态识别方法，用以解决现有的考察碳化硅功率模块老化状态的方法不能实时反映碳化硅功率模块的老化状态的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种碳化硅功率模块，模块包括：覆铜陶瓷基板、铜基板、焊料层、MOS芯片以及预设数量的热电偶；预设数量的热电偶均匀分布于焊料层的边界对应的铜基板底部位置；铜基板与覆铜陶瓷基板复合，且覆铜陶瓷基板中心点对应的铜基板底部位置固定有热电偶；MOS芯片固定于覆铜陶瓷基板上，且MOS芯片对应的铜基板底部位置固定有热电偶。
本申请实施例中的碳化硅功率模块，通过在焊料层的边界对应的铜基板底部位置、覆铜陶瓷基板中心点对应的铜基板底部位置以及MOS芯片对应的铜基板底部位置固定热电偶，可以有效地将碳化硅功率模块的所有关键发热位置的温度都采集到，以便于实时反映碳化硅功率模块的老化状态。
在本申请的一种实现方式中，预设数量的热电偶通过耐高温导热胶带均匀贴装在焊料层的边界对应的铜基板底部位置。通过耐高温导热胶带贴装热电偶不会改变碳化硅功率模块本身散热路径以及热阻，且操作简便。
在本申请的一种实现方式中，预设数量的热电偶为8个热电偶。
在本申请的一种实现方式中，碳化硅功率模块上的MOS芯片数量为n个，且各个MOS芯片对应的铜基板底部位置均通过耐高温导热双面胶贴装有一个热电偶；其中，n为大于等于1的整数。
在本申请的一种实现方式中，功率模块还包括SBD芯片，SBD芯片直接固定于覆铜陶瓷基板上，且SBD芯片的数量与MOS芯片的数量相等。
第二方面，本申请实施例还提供了一种碳化硅功率器件，包括如上述的一种碳化硅功率模块。
第三方面，本申请实施例还提供了一种如上述的碳化硅功率模块的老化状态识别方法，方法包括：实时获取碳化硅功率模块上预设数量的热电偶分别对应的温度值，以确定温度分布矩阵；基于温度分布矩阵，确定碳化硅功率模块对应的热阻值；根据碳化硅功率模块对应的热阻值，通过预存的热阻值与老化状态关系，确定碳化硅功率模块的老化状态。
在本申请的一种实现方式中，在实时获取碳化硅功率模块上预设数量的热电偶分别对应的温度值之前，方法还包括：确定碳化硅功率模块上预设数量的热电偶的实际数量，并基于预设数量的热电偶的实际数量及位置对预设数量的热电偶进行编号。
在本申请的一种实现方式中，温度分布矩阵为行矩阵；确定温度分布矩阵，具体包括：通过预设数量的热电偶分别对应的编号，将预设数量的热电偶分别对应的温度值进行顺序排列；基于顺序排列后的预设数量的热电偶分别对应的温度值，确定温度分布矩阵。
在本申请的一种实现方式中，在确定碳化硅功率模块对应的热阻值之后，方法还包括：获取碳化硅功率模块对应的基准热阻值；其中，基准热阻值为碳化硅功率模块出厂时测得的热阻值；确定碳化硅功率模块对应的热阻值与基准热阻值之间的差值；在差值大于预设阈值时，确定碳化硅功率模块出现老化。
在本申请的一种实现方式中，在确定碳化硅功率模块出现老化之后，方法还包括：确定碳化硅功率模块的老化信息；将老化信息发送至检修人员对应的移动终端上；或者，基于老化信息进行语音报警。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种碳化硅功率模块结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种碳化硅功率模块的老化状态识别方法流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
与传统的硅功率模块相比，碳化硅功率模块可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。但是，增加了设计难度、降低了设计裕量、增加了失效的可能性。总的来讲，碳化硅功率模块由于材料性质以及应用场景的原因，大多数条件下工作环境较硅器件相对严苛，同时，碳化硅硬度更高，材料失配更为严重，尺寸更小，集成度更高，功率密度更大，这也意味着碳化硅功率模块的寿命相对于硅器件更短。
碳化硅功率模块失效的原因可以归纳为温度变化导致的异种材料界面热膨胀系数不一致产生热应力，热应力引起的连接层的机械应变和变形。主动或者被动的温度循环也引起互联层的疲劳和蠕变，也会造成功率模块失效。其中，焊料层分层是最为常见的失效形式，导致DBC—铜板或是芯片—DBC互联界面产生裂纹，导致热阻增加，使结温上升，加速器件老化。
如何考察碳化硅功率模块的实际使用寿命是实际应用过程中亟待解决的问题，功率循环测试是衡量电子元器件可靠性最重要的试验之一，但是，现有的碳化硅功率模块循环寿命都是在实验室条件下测得的，不能实时反映真实寿命；且功率循环测试属于破坏性测试，对于全碳化硅功率模块来说，造价高昂，直接进行破坏性试验经济成本太高。但是又迫切的需要了解功率器件何时以及如何失效，以提前在使用过程中做出预判并调整控制策略，避免发生意外。
本申请实施例提供了一种碳化硅功率模块、器件及其老化状态识别方法，通过在碳化硅功率模块的固定位置布置热电偶的方式，可以在碳化硅功率模块运行中实时反映其老化状态，且无需对模块本身和模块控制器做特殊设计，适用于任意封装的功率模块。解决了现有的考察碳化硅功率模块老化状态的方法不能实时反映碳化硅功率模块老化状态的技术问题。
下面通过附图对本申请实施例提出的技术方案进行详细的说明。
图1为本申请实施例提供的一种碳化硅功率模块结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供的一种碳化硅功率模块，包括：覆铜陶瓷基板、铜基板、焊料层、MOS芯片以及预设数量的热电偶；其中，预设数量的热电偶均匀分布于焊料层的边界对应的铜基板底部位置，即铜基板底部上与焊料层边界对应的位置上均匀固定有预设数量的热电偶；铜基板与覆铜陶瓷基板复合，且覆铜陶瓷基板中心点对应的铜基板底部位置固定有一个热电偶；MOS芯片固定于覆铜陶瓷基板上，且MOS芯片对应的铜基板底部位置固定有热电偶。需要说明的是，本申请实施例中的铜基板与覆铜陶瓷基板复合，指的是通过现有的技术或者方法将铜基板与覆铜陶瓷基板整合成一个层，即整合为一体。
具体地，碳化硅功率模块的铜基板与焊料层分层是最常见的导致碳化硅功率模块失效的形式，焊料层边界是最容易产生温度变化的点，因此在焊料层边界对应的铜基板底部位置均匀的设置预设数量的热电偶，以准确地监测焊料层边界对应温度的变化情况。为更方便的获取焊料层边界对应的温度，本申请实施例中在焊料层边界对应的铜基板底部位置预设固定8个热电偶，该8个热电偶均匀分布于焊料层的边界对应的铜基板底部位置，如图1所示，该8个热电偶的编号分别为1、2、3、4、6、7、8、9。需要说明的是，本申请实施例中的焊料层边界与碳化硅功率模块的边界之间的距离小于预设阈值。
进一步地，碳化硅功率模块的覆铜陶瓷基板中心点位置将会受到全部芯片的热耦合，任意一个芯片结温升高或焊料层散热异常，将导致覆铜陶瓷基板中心点位置温度异常。因此，本申请实施例中，在覆铜陶瓷基板中心点对应的铜基板底部位置固定一个热电偶，以实现对覆铜陶瓷基板中心点位置温度的检测。需要说明的是，覆铜陶瓷基板的中心点可能与铜基板底部的中心位置相对应，即覆铜陶瓷基板的中心点在铜基板底部对应的位置为铜基板底部中心位置，因此，本申请实施例中可以直接在铜基板底部中心位置固定热电偶。如图1所示，该位于覆铜陶瓷基板中心点对应的铜基板底部位置的热电偶编号为5。
更进一步地，如图1所示，碳化硅功率模块包括6个MOS芯片，均固定于碳化硅功率模块的覆铜陶瓷基板上。碳化硅功率模块工作过程中的主要发热源为MOS芯片，焊料疲劳导致当DBC—铜板或是芯片—DBC互联界面产生裂纹时，散热路径将被破坏，芯片结温将会急剧升高。因此，本申请实施例中在6个MOS芯片对应的铜基板底部位置各固定一个热电偶，以检测MOS芯片对应点的实时温度。需要说明的是，本申请实施例中MOS芯片对应的铜基板底部位置实际上指的是在铜基板底部与MOS芯片对应的位置。以如图1所示，该6个热电偶的编号分别为：10、11、12、13、14、15。
需要说明的是，本申请实施例中的铜基板底部位置，实际上指的是MOS芯片、覆铜陶瓷基板中心点或者焊料层边界在铜基板的底面上对应的位置。例如，覆铜陶瓷基板的中心点在竖直方向上往铜基板底部做投影，确定的投影位置，即为覆铜陶瓷基板中心点在铜基板底部对应的位置，即覆铜陶瓷基板中心点对应的铜基板底部位置。还需要说明的是，MOS芯片在铜基板底部对应的位置实际上指的是MOS芯片的中心点在铜基板底部对应的位置。
在本申请实施例中，碳化硅功率模块还包括如图1所示的6个SBD芯片，均直接固定于覆铜陶瓷基板上，即本申请实施例中不在SBD芯片对应的铜基板底部位置贴装热电偶。这是由于SBD芯片在碳化硅功率模块正常工作时，发热量较小，且距离MOS芯片较近，在前述6块MOS芯片对应的铜基板底部位置均已固定热电偶的前提下，本申请实施例中不再对SBD芯片固定热电偶测温，以减化操作步骤。
在本申请实施例中，对前述15个热电偶的固定均采用耐高温导热胶带贴装，选用耐高温导热胶带相对于以往在铜基板底部加装内置热电偶的测温贴的办法，具有不改变碳化硅功率模块本身散热路径，能还原实际应用场景下的温度的优点。且耐高温导热胶带能够耐受较高的温度，即使在碳化硅功率模块达到较高的温度时，也不会发生形变、脱落等，保证了热电偶安装的稳固性。
此外，本申请实施例中，在铜基板底部的关键位置：焊料层边界对应的位置、MOS芯片对应的位置、覆铜陶瓷基板中心点对应的位置布置热电偶，无需对碳化硅功率模块本身以及模块控制器做特殊设计，在不影响碳化硅功率模块正常使用的情况下，即可实现对铜基板温度的检测，且适用于任意封装的碳化硅功率模块。
除此之外，本申请实施例还提供了一种碳化硅功率器件，包括如上述的一种碳化硅功率模块。
在本申请的一个实施例中，碳化硅功率器件包括：覆铜陶瓷基板、铜基板、焊料层、MOS芯片以及预设数量的热电偶。其中，预设数量的热电偶均匀分布于焊料层的边界对应的铜基板底部位置；铜基板与覆铜陶瓷基板复合，且覆铜陶瓷基板的中心点对应的铜基板底部位置固定有热电偶；MOS芯片固定于覆铜陶瓷基板上，且在MOS芯片对应的铜基板底部位置也固定有热电偶。
以上为本申请实施例提供的一种碳化硅功率模块，基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种如上述的碳化硅功率模块的老化状态的识别方法。需要说明的是，本申请实施例中的碳化硅功率模块的老化状态识别方法，执行主体可以是计算机设备。
图2为本申请实施例提供的一种碳化硅功率模块的老化状态的识别方法流程图，如图2所示，该方法主要包括以下步骤：
步骤201、实时获取碳化硅功率模块上预设数量的热电偶分别对应的温度值，以确定温度分布矩阵。
本申请实施例提供的一种碳化硅功率模块老化状态识别方法中，对碳化硅功率模块的老化状态进行识别主要是基于对碳化硅功率模块上的预设数量的热电偶测得的温度值数据进行分析而得出的。因此，在进行分析之前首先要确定碳化硅功率模块上预设数量的热电偶的实际数量。在本申请实施例中，计算机设备通过电子转换仪器与预设数量的热电偶相连接，当碳化硅功率模块开始正常工作时，会将相应的电信号传输到电子转换仪器，电子转换仪器将收到的电信号的个数发送给计算机设备，因此计算机设备可以根据电信号的个数确定热电偶的数量。如图1所示，计算机设备确定碳化硅功率模块上数量为15个，并根据这15个热电偶的数量及位置，对预设数量的热电偶进行1-15的编号。需要说明的是，本申请实施例中15个热电偶的位置是计算机设备预存的、预先确定的，即计算机设备在开始对碳化硅功率模块的老化状态进行识别时，就已经明确了碳化硅功率模块各部分的结构及位置关系。
进一步地，碳化硅功率模块上的15个热电偶在实际使用过程中进行相应位置的温度检测，并将相应的电信号传输到与之相连接的电子转换仪器，电子转换仪器将接收到的电信号转换为温度数值，并将温度数值发送给计算机设备。计算机设备在接收到15个热电偶分别对应的温度值之后，将15个温度值与15个热电偶一一对应，并按照1-15的顺序进行排列，然后将排列后的15个温度值建立起碳化硅功率模块对应的温度分布矩阵。
需要说明的是，该温度分布矩阵为行矩阵，行矩阵中的每个元素与每个热电偶检测的温度值一一对应，并且各温度值是按照热电偶1-15的编号进行顺序排列的。
步骤202、基于温度分布矩阵，确定碳化硅功率模块对应的热阻值。
本申请实施例中，计算机设备在确定碳化硅功率模块对应的温度分布矩阵之后，根据温度分布矩阵确定碳化硅功率模块对应的热阻值。
需要说明的是，在碳化硅功率模块功率循环试验的过程中，已经建立了碳化硅功率模块不同老化程度、热阻值以及碳化硅功率模块各个温度点之间的关系。因此，为了节约成本，本申请实施例中，可以直接采用相同类型的碳化硅功率模块在循环试验中的相关数据，进而直接确定碳化硅功率模块在该温度分布矩阵下的热阻值。
步骤203、根据碳化硅功率模块的热阻值，确定碳化硅功率模块的老化状态。
在确定碳化硅功率模块对应的热阻值之后，就可以根据该热阻值确定碳化硅功率模块的老化状态。
具体地，在碳化硅功率模块对应的信息数据中确定碳化硅功率模块出厂时测得的基准热阻值，或者是在计算机设备预存的数据库中，确定碳化硅功率模块对应的基准热阻值，或者计算机设备根据该碳化硅功率模块的型号在互联网上查找并下载相同型号的碳化硅功率模块出厂时测得的基准热阻值。然后，确定碳化硅功率模块的热阻值与上述确定出的基准热阻值之间的差值，并在差值大于预设阈值时，确定碳化硅功率模块出现老化。其中，预设阈值为根据功率循环测试而得出的具体数值。
进一步地，在确定碳化硅功率模块出现老化之后，将温度分布矩阵中的温度值以及热阻值与本地数据库中预存的相同型号的碳化硅功率模块不同老化程度的热阻值与各关键点的温度值进行分析和比对，以确定碳化硅功率模块出现老化的老化状态。
更进一步地，在确定碳化硅功率模块实际的老化状态之后，根据热阻值分析温度分布矩阵中出现异常的温度值，并查找出异常温度值所对应的热电偶的位置，以此判断出导致碳化硅功率模块出现老化的异常因素。本申请实施例中异常因素可以包括以下一项或多项：碳化硅功率模块的焊料层边界出现分层、MOS芯片发生故障。
本申请实施例中，计算机设备将包含异常因素的老化信息以短信的形式发送至检修人员的移动终端上，或根据老化信息进行语音报警。检修人员根据老化情况进行查看，以及时做出预判并调整控制策略，避免发生意外。需要说明的是，热电偶可以实时检测碳化硅功率模块的温度，因此，在碳化硅功率模块整个使用过程中，都可以对其老化状态进行实时识别，一旦出现老化就能及时获悉老化信息，并做出相应的检修维护工作，保证其正常运行。
本申请实施例提供了一种碳化硅功率模块及其老化状态识别方法，根据碳化硅功率模块的结构特点，在关键位置利用耐高温导热胶带贴装热电偶矩阵，既不会改变碳化硅功率模块原有的散热路径，也不会影响碳化硅功率模块正常使用，且对于任意封装的碳化硅功率模块均适用，无需额外配置工装夹具，方法简便，易于操作。同时，本申请实施例可以在碳化硅功率模块实际老化过程中，有针对性地对温度变化关键点做出实时的监测，而且无需将碳化硅功率模块破坏就可以完成监测识别，最大程度的节约了资源，提高了碳化硅功率模块的利用率，并且实现了在碳化硅功率模块工作过程中实时反映其老化状态的技术效果。
本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (4)
1.一种碳化硅功率模块，其特征在于，所述模块包括：覆铜陶瓷基板、铜基板、焊料层、MOS芯片以及预设数量的热电偶；
所述预设数量的热电偶均匀分布于所述焊料层的边界对应的铜基板底部位置；
所述铜基板与所述覆铜陶瓷基板复合，且所述覆铜陶瓷基板中心点对应的铜基板底部位置固定有热电偶；
所述MOS芯片固定于所述覆铜陶瓷基板上，且所述MOS芯片对应的铜基板底部位置固定有热电偶；
所述预设数量的热电偶通过耐高温导热胶带均匀贴装在所述焊料层的边界对应的铜基板底部位置；
所述预设数量的热电偶为8个热电偶；
所述碳化硅功率模块上的MOS芯片数量为n个，且各个所述MOS芯片对应的铜基板底部位置均通过耐高温导热双面胶贴装有一个热电偶；其中，n为大于等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括SBD芯片；
所述SBD芯片直接固定于所述覆铜陶瓷基板上，且所述SBD芯片的数量与所述MOS芯片的数量相等。
3.一种碳化硅功率器件，其特征在于，包括如权利要求1- 2任意一项所述的一种碳化硅功率模块。
4.一种如权利要求1- 2任意一项所述的碳化硅功率模块的老化状态识别方法，其特征在于，所述方法包括：
实时获取所述碳化硅功率模块上预设数量的热电偶分别对应的温度值，以确定温度分布矩阵；
基于所述温度分布矩阵，确定所述碳化硅功率模块对应的热阻值；
根据所述碳化硅功率模块对应的热阻值，通过预存的热阻值与老化状态关系，确定所述碳化硅功率模块的老化状态；
在实时获取所述碳化硅功率模块上预设数量的热电偶分别对应的温度值之前，所述方法还包括：
确定所述碳化硅功率模块上预设数量的热电偶的实际数量，并基于所述预设数量的热电偶的实际数量及位置对所述预设数量的热电偶进行编号；
所述温度分布矩阵为行矩阵；
确定所述温度分布矩阵，具体包括：
通过所述预设数量的热电偶分别对应的编号，将所述预设数量的热电偶分别对应的温度值进行顺序排列；
基于顺序排列后的所述预设数量的热电偶分别对应的温度值，确定温度分布矩阵；
在确定所述碳化硅功率模块对应的热阻值之后，所述方法还包括：
获取所述碳化硅功率模块对应的基准热阻值；其中，所述基准热阻值为所述碳化硅功率模块出厂时测得的热阻值；
确定所述碳化硅功率模块对应的热阻值与所述基准热阻值之间的差值；
在所述差值大于预设阈值时，确定所述碳化硅功率模块出现老化。
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