CN115598483A - 一种Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，包括：S1：在PCB覆铜板上制备Pt薄膜电阻温度传感器；S2：确定该Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数；S3：制备芯片底部有Pt薄膜电阻温度传感器的功率二极管；S6：将功率二极管接入老化电路，实时监测Pt薄膜电阻温度传感器电阻，通过Pt薄膜电阻温度传感器监测加电状态下的二极管结温。本发明相比于只能测试器件表面温度的热电偶法，测温的可重复性和均一性更好；相比于红外法，不需要考虑表面封装材料发射率的影响，测试的芯片结温更准确；相比于热阻测试法，在二极管加电测试过程中无需进行热阻测试，就可解决传统测试无法实时监测二极管结温的不足。

Description

一种Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法

技术领域

本发明涉及功率二极管领域的检测技术，具体涉及Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法。

背景技术

功率二极管因其低能耗和长寿命等优势在航天产品中得到广泛应用。功率二极管在服役过程中，70％的输入功率都会在PN结位置转换为热能。这些热量将在焊盘和界面等位置积累，显著降低功率二极管的散热性。功率二极管温度升高到一定程度后，不同材料之间的热膨胀系数差异可能导致封装结构内部产生残余应力，使得二极管存在发生断裂或分层等失效现象的风险。因而，需要精准测量功率二极管的PN结温度，避免结温过高而使二极管的可靠性受到严重影响。

热电偶成本低廉，结构简单，经常用于测量功率二极管的管壳温度，是一种直接接触样品表面的测温方法。然而，热电偶测量一个温度点需要一组排线，测量多个温度点就需要多组排线，操作流程复杂而且测量精度较差。此外，热电偶只能测量二极管的表面温度，对于封装成型的功率二极管，热电偶无法直接测试二极管芯片的结温。只有破坏二极管管壳后，才能用热电偶实现对二极管芯片表面的直接测温，无法达到无损检测的要求。即使采用热电偶测试芯片表面温度，热电偶的探针可能会压碎脆弱的芯片，导致无法准确测试芯片结温。

红外测试法可快速直观地获得功率二极管表面的温度分布状态，且不需要接触样品表面，是一种非接触式的测温方法。然而，不同样品表面的发射率存在差异，每次测量时需要对样品表面温度和表面材料的发射率进行校准。此外，红外测试法获得的也是样品表面的温度，若要对功率二极管芯片进行温度测试，也需要对功率二极管进行开封。

传统热阻法也是一种非接触式的测温方法，主要通过二极管电学参数和温度之间的对应关系，间接计算二极管的结温值。该方法尽管可精确地获得二极管结温，但需要复杂且昂贵的测试设备，对于批量生产和测试的厂家，无法简单快速低成本地监测芯片PN结温度。此外，无法采用传统热阻法测试加电状态下二极管的PN结温度，因为测试设备可能会对加电状态的二极管产生严重影响，甚至会烧毁或损坏二极管。因而，传统热阻法无法实时监测二极管结温，只有将二极管断电后才能完成结温测试。然而，断电状态下测试的二极管结温和加电状态下的结温存在差异，导致无法准确评估结温。

综上所述，热电偶法、红外法和传统热阻法都无法独立准确又实时监测加电状态下功率二极管的结温值。需开发一种新的测试方法，在二极管处于加电老化的状态下，准确并实时监控其结温。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，解决现有技术无法独立准确又实时监测加电状态下功率二极管结温值的问题。

为了达到上述的目的，本发明提供了一种Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，包括下述步骤：S1：在PCB覆铜板上制备Pt薄膜电阻温度传感器，得到带Pt薄膜电阻温度传感器的PCB覆铜板；S2：确定该Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数；S3：制备芯片底部有Pt薄膜电阻温度传感器的功率二极管；S6：将功率二极管接入老化电路，实时监测Pt薄膜电阻温度传感器电阻，根据换算M系数换算成Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr，由此通过Pt薄膜电阻温度传感器监测加电状态下的二极管结温。

进一步的是，其在S3和S6之间进一步包括下述步骤：S4：将功率二极管接入瞬态热阻测试电路，然后放入恒温油槽，采用T3ster设备测定二极管芯片的温度敏感参数K系数；S5：通过加热管加热功率二极管并使温度保持，采用T3ster的加热电流驱动功率二极管，采用电阻仪表盘实时监测Pt薄膜电阻温度传感器的电阻，通过Pt薄膜电阻温度传感器的电阻和上述换算M系数确定Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr，再通过T3ster瞬态热阻法和上述K系数测定二极管芯片的结温Tj，单独改变加热管温度，获得一系列Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr和二极管芯片的结温Tj，由此得到两者的温度拟合关系式；

并且在S6中，在根据换算M系数换算成Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr后，结合温度拟合曲线获得二极管芯片的结温。

进一步的是，所述Pt薄膜电阻温度传感器为以Ti为粘结底层的Pt层，包括首尾两端的长方形的正极焊盘区域和负极焊盘区域，和呈现蛇形分布的中间排线区域，中间排线区域的电阻即为Pt薄膜电阻温度传感器的电阻。

进一步的是，所述步骤S1包括：采用Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板覆盖PCB覆铜板，按所需Pt薄膜电阻温度传感器形状选择性地先后蒸镀Ti层和Pt层，蒸镀结束后去除Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板，在未覆盖Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板的区域形成以Ti为粘结底层的Pt薄膜电阻温度传感器。

进一步的是，所述步骤S2包括：通过电阻仪表盘测定Pt薄膜电阻温度传感器电阻，通过热电偶传感器监测Pt薄膜电阻温度传感器温度；加热PCB覆铜板，在不同温度下绘制Pt薄膜电阻温度传感器电阻r_l与Pt薄膜电阻温度传感器温度t_l曲线图，其中l＝1,2,……,S，S为加热温度点数量，确定Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数。

进一步的是，所述步骤S3包括：采用硅胶掩膜板覆盖带Pt薄膜电阻温度传感器的PCB覆铜板，选择性地涂覆高导热绝缘硅胶；将二极管芯片固定安装在硅胶上表面确保Pt薄膜电阻温度传感器位于二极管芯片下方，使硅胶固化粘结芯片；在PCB覆铜板表面未覆盖Pt薄膜电阻温度传感器区域焊接二极管引出端，并将芯片表面焊盘和二极管引出端键合连接；注塑成型，获得芯片底部有Pt薄膜电阻温度传感器的功率二极管。

进一步的是，硅胶完全覆盖了Pt薄膜电阻温度传感器的中间排线区域，部分覆盖了Pt薄膜电阻温度传感器的正极焊盘区域、负极焊盘区域以及PCB覆铜板，Pt薄膜电阻温度传感器的中间排线区域位于二极管芯片下方。

进一步的是，所述步骤S4包括：将接入瞬态热阻测试电路的功率二极管放入恒温油槽，调节油液温度使二极管芯片PN结温度升高，实时记录PN结电压降-结温曲线，确定温度敏感参数K系数。

进一步的是，在步骤S5中，T3ster采用最大加热电流驱动功率二极管，获得芯片结温Tj和Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr的温度拟合关系式Tj＝k_max*Tr+b_max。

进一步的是，所述Ti层厚度范围为5-20nm，所述Pt层厚度范围为300-1000nm；和/或所述PCB覆铜板被替换为陶瓷基板、或者金属基板。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

相比于只能测试器件表面温度的热电偶法，本发明Pt薄膜电阻温度传感器的测温点位于芯片正下方，测温的可重复性和均一性更好；相比于红外法，本发明不需要考虑表面封装材料发射率的影响，测试的芯片结温更准确；相比于需要复杂连接、成本高昂的热阻测试法，本发明只需在确定结温和Pt薄膜电阻温度传感器温度的线性关系时进行瞬态热阻测试，而在二极管加电测试过程中无需进行热阻测试，就可解决传统结温测试法无法实时监测二极管结温的不足。

附图说明

本发明的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明较佳实施例的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法的流程示意图；

图2为本发明较佳实施例的PCB覆铜板表面蒸镀Pt薄膜电阻温度传感器的示意图；

图3为本发明较佳实施例的Pt薄膜电阻温度传感器表面安装Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端的示意图；

图4为本发明较佳实施例的测定Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度换算M系数的示意图；

图5为本发明较佳实施例的Pt薄膜电阻温度传感器电阻与Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线图；

图6为本发明较佳实施例的在Pt薄膜电阻温度传感器和PCB覆铜板表面选择性涂覆高导热绝缘硅胶的示意图；

图7为本发明较佳实施例的高导热绝缘硅胶表面固定安装二极管芯片的示意图；

图8为本发明较佳实施例的PCB覆铜板表面安装二极管引出端的示意图；

图9为本发明较佳实施例的键合连接二极管芯片和二极管引出端的示意图；

图10为本发明较佳实施例的二极管样品注塑成型封帽的示意图；

图11为本发明较佳实施例的瞬态热阻法测定二极管温度敏感参数K系数的示意图；

图12为本发明较佳实施例的校准电阻法测定Pt薄膜电阻温度传感器温度和瞬态热阻法测试二极管芯片结温的示意图；

图13为本发明较佳实施例的0.2A加热电流作用下测定的瞬态热阻法芯片结温和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线x₁；

图14为本发明较佳实施例的不同加热电流驱动的瞬态热阻法芯片结温和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线叠加图；

图15为本发明较佳实施例的老化过程中根据Pt薄膜电阻温度传感器温度反推二极管芯片结温的示意图。

具体实施方式

以下将结合图1～图15对本发明的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法作进一步的详细描述。

本发明解决了现有技术无法独立准确又实时监测加电状态下功率二极管结温值的难题。图1为本发明较佳实施例的实时监测加电状态下功率二极管结温的方法的流程示意图。参见图1，本发明实施例的实时监测加电状态下功率二极管结温的方法包括如下步骤：S1：在PCB覆铜板上制备Pt薄膜电阻温度传感器，得到带Pt薄膜电阻温度传感器的PCB覆铜板；S2：确定该Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数；S3：制备芯片底部有Pt薄膜电阻温度传感器的功率二极管；S4(可选)：将功率二极管接入瞬态热阻测试电路，然后放入恒温油槽，采用T3ster设备测定二极管芯片的温度敏感参数K系数；S5(可选)：通过加热管加热功率二极管并使温度保持，采用T3ster的加热电流驱动功率二极管，采用电阻仪表盘实时监测Pt薄膜电阻温度传感器的电阻，通过Pt薄膜电阻温度传感器的电阻和上述换算M系数确定Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr，再通过T3ster瞬态热阻法和上述K系数测定二极管芯片的结温Tj，单独改变加热管温度，获得一系列Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr和二极管芯片的结温Tj，由此得到两者的温度拟合关系式。

S6：将功率二极管接入老化电路，实时监测Pt薄膜电阻温度传感器电阻，根据换算M系数换算成Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr，结合温度拟合曲线获得二极管芯片的结温(可选)，由此通过Pt薄膜电阻温度传感器监测加电状态下的二极管结温。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的各个步骤做进一步详细的描述。

S1：在PCB覆铜板上制备Pt薄膜电阻温度传感器换算M系数。

Pt薄膜电阻温度传感器属于金属薄膜电阻温度传感器，其基本原理是基于金属薄膜电阻的热效应进行温度测量的，即金属薄膜电阻的阻值随温度的变化而变化。只要测量出感温金属薄膜电阻的阻值变化，就可以测量出其温度。图2为本发明较佳实施例的PCB覆铜板表面蒸镀Pt薄膜电阻温度传感器的示意图。如图2，首先采用特定形状的Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板112覆盖PCB覆铜板111，在PCB覆铜板111表面选择性地蒸镀厚度范围为5-20nm的Ti层作为底层提高粘结强度，然后在相同区域选择性地蒸镀厚度范围为300-1000nm的Pt层作为表面层并完全覆盖Ti层，蒸镀结束后去除Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板112，则未覆盖Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板112的区域将形成以Ti为粘结底层的Pt薄膜电阻温度传感器。

该Pt薄膜电阻温度传感器包括首尾两端的长方形的正极焊盘区域113和负极焊盘区域114，和呈现蛇形分布的中间排线区域115，中间排线区域115的电阻即为Pt薄膜电阻温度传感器的电阻。将中间排线区域115设计成蛇形分布，是为了增大和二极管芯片的接触面积，提高Pt薄膜电阻温度传感器的测温稳定性，减小芯片结温测试误差。

Pt薄膜电阻温度传感器的形状为蛇形，该蛇形可以是本发明附图所示的带尖端的蛇形结构，也可以是本领域中常见的其他蛇形结构，例如一百八十度转角的蛇形或者带圆弧段的蛇形，具体可以按照实际需要来确定，只要是蛇形即落入本发明的范围内。通过蛇形，增加与芯片底部硅胶的接触面积，提高测温准确性，能够保证能够通过接触方式精准测试芯片底部温度。

进而，Pt薄膜电阻温度传感器也可以设计成其他形状，但需进行版图设计，制备工艺复杂，本发明只选择了最简单的蛇形分布图形。本领域技术人员可以依据本发明的启示，涉及其他合适的形状。

图3为本发明较佳实施例的Pt薄膜电阻温度传感器表面安装Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端的示意图。如图3，通过电烙铁加热后的锡铅焊料，在Pt薄膜电阻温度传感器的正极焊盘区域113和负极焊盘区域114分别焊接Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端正极116和Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端负极117。

S2：确定Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数。

测定Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的关系，作为换算M系数。

图4为本发明较佳实施例的测定Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度换算M系数的示意图。如图4，将Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121分别与Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端正极116和Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端负极117相连，通过Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121测出Pt薄膜电阻温度传感器的电阻。将热电偶传感器119与Pt薄膜电阻温度传感器排线区域115紧密接触，采用热电偶传感器温度仪表盘120监测Pt薄膜电阻温度传感器排线区域115的温度，作为Pt薄膜电阻温度传感器的温度。

采用加热管118对PCB覆铜板111进行加热，待热电偶传感器温度仪表盘120示数不再发生明显变化时，确定Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121测得的电阻值和热电偶传感器温度仪表盘120测得的Pt薄膜电阻温度传感器温度。使加热管118温度分别在20、40、80、100℃保持恒定，分别记录Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121测得的电阻(r₁、r₂、r₃、r₄)和热电偶传感器温度仪表盘120测得的Pt薄膜电阻温度传感器温度(t₁、t₂、t₃、t₄)。测试结束后去除加热管118。

图5为本发明较佳实施例的Pt薄膜电阻温度传感器电阻与Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线图。如图5，绘制Pt薄膜电阻温度传感器电阻与Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线图。该曲线呈现线性关系，由此可以确定Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数。根据该换算M系数，只要获得Pt薄膜电阻温度传感器电阻r，就可获得Pt薄膜电阻温度传感器温度t。

S3：制备芯片底部有Pt薄膜电阻温度传感器的功率二极管。

图6为本发明较佳实施例的在Pt薄膜电阻温度传感器和PCB覆铜板表面选择性涂覆高导热绝缘硅胶的示意图。如图6，采用特定形状的硅胶掩膜板122覆盖步骤S1中得到的带Pt薄膜电阻温度传感器的PCB覆铜板，然后选择性地涂覆厚度约为500μm的高导热绝缘硅胶123，硅胶涂覆面积接近二极管芯片面积。该硅胶层完全覆盖了Pt薄膜电阻温度传感器的中间排线区域115，部分覆盖了Pt薄膜电阻温度传感器的正极焊盘区域113、负极焊盘区域114以及PCB覆铜板111。涂覆结束后去除硅胶掩膜板122。

图7为本发明较佳实施例的高导热绝缘硅胶表面固定安装二极管芯片的示意图。如图7，将二极管芯片124固定安装在高导热绝缘硅胶123的上表面确保Pt薄膜电阻温度传感器的中间排线区域115位于二极管芯片124下方，可以通过例如加热管118对PCB覆铜板111进行加热使高导热绝缘硅胶123固化并粘结二极管芯片124。硅胶固化后，去除加热管118，采用探针测试二极管芯片表面焊盘正极125(或焊盘负极126)与Pt薄膜电阻温度传感器的正极焊盘区域113(或负极焊盘区域114)之间的电阻。若电阻较大，表明二极管芯片与Pt薄膜电阻温度传感器绝缘并未电导通，满足工艺要求。

高导热绝缘硅胶123不仅可使二极管芯片124产生的热量快速传导至Pt薄膜电阻温度传感器的中间排线区域115，同时可避免二极管芯片124和Pt薄膜电阻温度传感器排线区域115的相互电导通。涂覆高导热绝缘硅胶123后，在大电流导通二极管芯片124的状态下，当二极管芯片124的结温发生变化时，Pt薄膜电阻温度传感器排线区域115的温度也会随之定向变化。

图8为本发明较佳实施例的PCB覆铜板表面安装二极管引出端的示意图。如图8，通过电烙铁加热后的锡铅焊料，在PCB覆铜板111表面未覆盖Pt薄膜电阻温度传感器区域焊接二极管引出端正极128和二极管引出端负极129。

图9为本发明较佳实施例的键合连接二极管芯片和二极管引出端的示意图。如图9，将二极管芯片表面焊盘正极125和二极管引出端正极128键合连接，将二极管芯片表面焊盘负极126和二极管引出端负极129键合连接。

图10为本发明较佳实施例的二极管样品注塑成型封帽的示意图。如图10，对二极管样品注塑成型，形成塑封管壳130。管壳侧边含有Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端正极116和Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端负极117，以及二极管引出端正极128和二极管引出端负极129，获得芯片底部有Pt薄膜电阻温度传感器的功率二极管。

S4：将功率二极管接入瞬态热阻测试电路，然后放入恒温油槽，采用T3ster设备测定二极管芯片的温度敏感参数K系数。

图11为本发明较佳实施例的瞬态热阻法测定二极管温度敏感参数K系数的示意图。如图11，将功率二极管接入瞬态热阻测试电路，二极管引出端正极128分别与VF电压传感器140、IM测试电流141、IH加热电流142的正极相连，二极管引出端负极129分别与VF电压传感器140、IM测试电流141、IH加热电流142的负极相连。由于VF电压传感器140、IM测试电流141和IH加热电流142实际方向相同，因此三者均显示为正值(+)。

将整个功率二极管放入恒温油槽135，保持一定时间后使恒温油液136温度等于功率二极管的PN结温。调节恒温油液136温度使功率二极管的PN结温度从25℃逐步升高至140℃，升温速率为5℃/分钟。

采用T3ster设备对功率二极管只加载5mA的IM测试电流141，不加载IH加热电流142，采用VF电压传感器140实时监测二极管引出端正极128和二极管引出端负极129两端的PN结电压降变化。实时记录功率二极管的PN结电压降-结温曲线，确定其温度敏感参数K系数。

测试结束后清理功率二极管表面油液。

S5：通过加热管加热功率二极管并使温度保持，采用T3ster的加热电流驱动功率二极管，采用电阻仪表盘实时监测Pt薄膜电阻温度传感器的电阻，通过Pt薄膜电阻温度传感器的电阻和上述换算M系数确定Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr，再通过T3ster瞬态热阻法和上述K系数测定二极管芯片的结温Tj，单独改变加热管温度，获得一系列Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr和二极管芯片的结温Tj，由此得到两者的温度拟合关系式。

图12为本发明较佳实施例的校准电阻法测定Pt薄膜电阻温度传感器温度和瞬态热阻法测试二极管芯片结温的示意图。采用校准电阻法测定Pt薄膜电阻温度传感器温度包括：采用加热电流驱动功率二极管使芯片结温升高并达到稳定状态；采用电阻仪表盘实时监测Pt薄膜电阻温度传感器电阻，通过Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数，实时监测Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr；采用T3ster瞬态热阻法测试二极管芯片结温包括：确定二极管芯片温度敏感参数K系数；采用加热电流驱动功率二极管使芯片结温升高并达到稳定状态；加热电流迅速切换到测试电流，通过电压传感器实时监测PN结电压降曲线，通过K系数得到芯片结温Tj。

如图12，将功率二极管接入瞬态热阻测试电路，二极管引出端正极128(或二极管引出端负极129)分别与VF电压传感器140、IM测试电流141、IH加热电流142的正极(或负极)相连。将Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121分别与功率二极管的Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端正极116和Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端负极117相连，通过Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121监测Pt薄膜电阻温度传感器的电阻。

单独改变加热管温度，可以验证并获得结温和Pt薄膜电阻温度传感器温度的线性关系，包括：单独改变加热管温度，采用相同加热电流驱动功率二极管使芯片结温变化；在每个温度点，采用校准电阻法分别监测Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr_i(i＝1,2,┄,N，N为测温点数量)，采用瞬态热阻法分别测试芯片结温Tj_i(i＝1,2,┄,N，N为测温点数量)；将相同加热电流下瞬态热阻法芯片结温Tj_i(i＝1,2,┄,N)和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr_i(i＝1,2,┄,N)绘制成曲线x₁。

如果曲线x₁中瞬态热阻法芯片结温Tj和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr_i呈现线性关系，则通过线性拟合可得到关系式Tj＝k₁*Tr+b₁，并表明该线性关系不受环境温度的影响。

通过加热管118加热功率二极管，使加热管温度保持在20℃。

采用0.2A的IH加热电流142驱动功率二极管使芯片结温升高，待T3ster设备VF电压传感器140测得的芯片PN结电压降稳定后，采用Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121实时监测Pt薄膜电阻温度传感器的电阻，并通过上述换算M系数校准，实时监测Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr₁。

将T3ster的IH加热电流142迅速切换到IM测试电流141，同时采用VF电压传感器140实时监测功率二极管的PN结电压降变化曲线，通过步骤S30的K系数得到0.2A的IH加热电流142作用下二极管芯片的结温Tj₁。

改变加热管118温度，重复测试，绘制二极管芯片结温Tj和Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr曲线，该曲线呈现线性关系且不受环境温度的影响。

具体而言，使加热管温度分别保持在40、60和80℃，仍采用0.2A的IH加热电流142驱动功率二极管使芯片结温变化。在每个温度点，重复上述测试步骤，采用校准电阻法分别监测Pt薄膜电阻温度传感器温度(Tr₂、Tr₃、Tr₄)，采用瞬态热阻法分别测试二极管芯片124的结温(Tj₂、Tj₃、Tj₄)。

图13为本发明较佳实施例的0.2A加热电流作用下测定的瞬态热阻法芯片结温和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线x₁。将0.2A的IH加热电流142作用下的瞬态热阻法芯片结温(Tj₁、Tj₂、Tj₃、Tj₄)和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度(Tr₁、Tr₂、Tr₃、Tr₄)绘制成曲线x₁，如图13。曲线x₁中瞬态热阻法芯片结温Tj和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr呈现线性关系，通过线性拟合可得到关系式Tj＝k₁*Tr+b₁，表明不同环境温度下瞬态热阻法芯片结温和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度具有极高的相关性，且该线性关系不受环境温度的影响。由于二极管芯片124产生的热量传递至底部的Pt薄膜电阻温度传感器时，将受到导热硅胶热阻的影响，因此Pt薄膜电阻温度传感器温度低于二极管芯片124的温度。

在实际检测当中，由于Pt薄膜电阻温度传感器温度低于二极管芯片124的温度，因此在不需要准确的二极管芯片124的温度的时候，可以通过Pt薄膜电阻温度传感器温度来大致判断二极管芯片124的温度，并控制使得二极管芯片124的温度不至于过高。由此在方法中省略步骤S4和S5。

此外，还可通过二极管产品手册提供的最大芯片结温Tj_max反向确定最大Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr_max，再通过换算M系数确定最大Pt薄膜电阻温度传感器电阻R_max，通过避免Pt薄膜电阻温度传感器电阻超过临界值来避免二极管芯片124因温度过高而烧毁。

此外，为了获得最佳的实验条件，进行了下述试验，试验原理如下：

通过单独改变T3ster加热电流，验证结温和Pt薄膜电阻温度传感器温度的线性关系，包括：单独改变T3ster加热电流，分别驱动功率二极管使芯片结温变化；在每个加热电流下，分别确定瞬态热阻法芯片结温Tj_i(i＝1,2,┄,N)和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr_i(i＝1,2,┄,N)曲线x_z(z＝1,2,┄,M，M为加热电流数量)。如果每个曲线x_z(z＝1,2,┄,M)中瞬态热阻法芯片结温Tj和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr均呈现线性关系，则通过线性拟合可分别得到关系式Tj＝k_z*Tr+b_z(z＝1,2,┄,M)。进而可以将各曲线x_z(z＝1,2,┄,M)叠加，判断各曲线线性相关性和重叠度。分别计算各曲线斜率相关性p_z(z＝1,2,┄,M-1)和截距相关性q_z(z＝1,2,┄,M-1)，如果均小于等于5％，则表明该线性关系不受驱动加热电流的影响。

实验1

改变T3ster加热电流，重复步骤S5，将不同加热电流下的二极管芯片结温Tj和Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr曲线叠加，各曲线重叠度较好且线性关系不受驱动加热电流影响。

采用0.4A、0.6A和0.8A的IH加热电流142分别驱动功率二极管使芯片结温升高，重复步骤S5，分别确定0.4A、0.6A和0.8A加热电流作用下瞬态热阻法芯片结温Tj和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr曲线x₂、x₃和x₄。曲线x₂、x₃和x₄中瞬态热阻法芯片结温Tj和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr也呈现线性关系，通过线性拟合可得到关系式Tj＝k₂*Tr+b₂、Tj＝k₃*Tr+b₃和Tj＝k₄*Tr+b₄。

通过实验1得知的：IH加热电流142越大(x₄曲线对应电流0.8A>x₃曲线对应电流0.6A>x₂曲线对应电流0.4A>x₁曲线对应电流0.2A)，二极管芯片124结温越高；IH加热电流142越大，对应曲线越收敛，例如x₄曲线和x3曲线收敛程度较高(曲线接近程度较高，拟合曲线公式接近程度较高，拟合曲线公式较精确)，x₃曲线和x₂曲线收敛程度其次(曲线接近程度其次，拟合曲线公式接近程度其次，拟合曲线公式精确程度也其次)，x₂曲线和x₁曲线相对前两者收敛程度最低(曲线接近程度最差，拟合曲线公式接近程度也最差，拟合曲线公式精确程度也最差)。由此可知，IH加热电流142越大，对应曲线越收敛，获得的拟合曲线公式越精确，即曲线公式精确程度x₄>x₃>x₂>x₁。

图14为本发明较佳实施例的不同加热电流驱动的瞬态热阻法芯片结温和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线叠加图。将不同驱动加热电流(0.2A、0.4A、0.6A和0.8A)作用下获得的瞬态热阻法芯片结温和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线(x₁、x₂、x₃、x₄)进行叠加，获得不同加热电流驱动的瞬态热阻法芯片结温和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度曲线的叠加图，如图14。x₁、x₂、x₃、x₄的线性相关性和重叠度均较高，分别计算各曲线斜率相关性(p₁、p₂和p₃)和截距相关性(q₁、q₂和q₃)，其中p₁＝(k₁-k₂)/k₂、p₂＝(k₁-k₃)/k₃、p₃＝(k₁-k₄)/k₄，q₁＝(b₁-b₂)/b₂、q₂＝(b₁-b₃)/b₃、q₃＝(b₁-b₄)/b₄。斜率相关性(p₁、p₂、p₃)和截距相关性(q₁、q₂、q₃)均小于等于5％，表明不同驱动加热电流下瞬态热阻法测试的芯片结温和校准电阻法Pt薄膜电阻温度传感器温度也具有极高的相关性，表明该线性关系不受驱动加热电流的影响。

此外，由于IH加热电流142越大，二极管芯片124结温越高，获得的拟合曲线公式越精确，因而测得的二极管芯片124结温更准确。因此，在步骤S5当中，优选采用T3ster的最大加热电流驱动功率二极管。

以下对本发明方法的最后一步进行说明。

S6：将功率二极管接入老化电路，实时监测Pt薄膜电阻温度传感器电阻，根据换算M系数换算成Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr，在进行了S4和S5步骤时，还可以结合温度拟合曲线获得二极管芯片的结温，由此通过Pt薄膜电阻温度传感器监测加电状态下的功率二极管结温。

将二极管接入老化测试电路并加电，实时监测Pt薄膜电阻温度传感器电阻，根据换算M系数换算成Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr。结合最大加热电流下的芯片结温和Pt薄膜电阻温度传感器温度拟合曲线，实时快速计算二极管芯片结温Tj。

图15为本发明较佳实施例的老化过程中根据Pt薄膜电阻温度传感器温度反推二极管芯片结温的示意图。如图15，对于相同封装结构和材料的功率二极管，将二极管引出端正极128和二极管引出端负极129分别接入老化测试电路152，将Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端正极116和Pt薄膜电阻温度传感器电极引出端负极117分别接入Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121。在老化测试过程中，采用Pt薄膜电阻温度传感器电阻仪表盘121实时监测Pt薄膜电阻温度传感器的电阻，利用换算M系数获得换算得到的的芯片底部Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr。结合最大IH加热电流142下的芯片结温和Pt薄膜电阻温度传感器温度拟合曲线公式Tj＝k_max*Tr+b_max，快速实时监测二极管芯片124结温Tj。

本发明具有下述特点：

第一、热电偶法每次只能通过点接触的方式来获得器件的表面温度，而本发明中Pt薄膜电阻温度传感器的测温点位于功率二极管芯片正下方，与芯片为面接触方式且接触面积更大，测定温度的可重复性和均一性更好。

第二、红外法需要精确考虑二极管表面封装材料的发射率和环境条件对测温准确性的影响，本发明中封装材料的发射率和环境条件对Pt薄膜电阻温度传感器的电阻测试影响较小，测定的芯片结温更准确。

第三、传统热阻测试法需要专用设备且连接复杂，测试效率低下，测温成本高昂。本发明只需在确定二极管结温和Pt薄膜电阻温度传感器温度的线性关系时进行热阻测试，而在二极管老化加电过程中无需进行热阻测试，即可实时监测二极管结温，使得测温效率显著提高，测试成本显著降低。此外，传统热阻法不能测试老化加电状态下功率二极管的芯片结温，而本发明只需实时监测Pt薄膜电阻温度传感器的电阻即可间接计算芯片结温，并不受二极管是否处于加电状态的限制，测试适用范围更广。

第四、本发明中Pt薄膜电阻温度传感器与二极管芯片相互绝缘，避免了加电过程中Pt薄膜电阻温度传感器对二极管芯片产生损伤。同时，Pt薄膜电阻温度传感器与芯片保持高导热，使芯片产生的热量可快速传递至Pt薄膜电阻温度传感器，通过其电阻值即可精准实时地反映芯片结温，解决现有方法无法实时测试结温的不足。

第五、本发明的Pt薄膜电阻温度传感器不仅可在PCB覆铜板上制备，也可在陶瓷基板、金属基板上制备，并不受到器件封装基板的影响，可针对各种封装类型的器件进行批量制造。该Pt薄膜电阻温度传感器不会显著改变器件的传热路径，也不会明显增加器件的热阻和形状尺寸。针对相同封装类型的功率二极管，只要获得芯片结温和Pt薄膜电阻温度传感器电阻值的对应关系，即可简单快速地监测芯片结温，适合评估二极管的散热可靠性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，包括下述步骤：S1：在PCB覆铜板上制备Pt薄膜电阻温度传感器，得到带Pt薄膜电阻温度传感器的PCB覆铜板；S2：确定该Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数；S3：制备芯片底部有Pt薄膜电阻温度传感器的功率二极管；S6：将功率二极管接入老化电路，实时监测Pt薄膜电阻温度传感器电阻，根据换算M系数换算成Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr，由此通过Pt薄膜电阻温度传感器监测加电状态下的二极管结温。

2.如权利要求1所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，其在S3和S6之间进一步包括下述步骤：S4：将功率二极管接入瞬态热阻测试电路，然后放入恒温油槽，采用T3ster设备测定二极管芯片的温度敏感参数K系数；S5：通过加热管加热功率二极管并使温度保持，采用T3ster的加热电流驱动功率二极管，采用电阻仪表盘实时监测Pt薄膜电阻温度传感器的电阻，通过Pt薄膜电阻温度传感器的电阻和上述换算M系数确定Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr，再通过T3ster瞬态热阻法和上述K系数测定二极管芯片的结温Tj，单独改变加热管温度，获得一系列Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr和二极管芯片的结温Tj，由此得到两者的温度拟合关系式；

并且在S6中，在根据换算M系数换算成Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr后，结合温度拟合曲线获得二极管芯片的结温。

3.如权利要求1所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，所述Pt薄膜电阻温度传感器为以Ti为粘结底层的Pt层，包括首尾两端的长方形的正极焊盘区域和负极焊盘区域，和呈现蛇形分布的中间排线区域，中间排线区域的电阻即为Pt薄膜电阻温度传感器的电阻。

4.如权利要求1所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：采用Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板覆盖PCB覆铜板，按所需Pt薄膜电阻温度传感器形状选择性地先后蒸镀Ti层和Pt层，蒸镀结束后去除Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板，在未覆盖Pt薄膜电阻温度传感器掩膜板的区域形成以Ti为粘结底层的Pt薄膜电阻温度传感器。

5.如权利要求1所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：通过电阻仪表盘测定Pt薄膜电阻温度传感器电阻，通过热电偶传感器监测Pt薄膜电阻温度传感器温度；加热PCB覆铜板，在不同温度下绘制Pt薄膜电阻温度传感器电阻r_l与Pt薄膜电阻温度传感器温度t_l曲线图，其中l＝1,2,……,S，S为加热温度点数量，确定Pt薄膜电阻温度传感器电阻和温度的换算M系数。

6.如权利要求1所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：采用硅胶掩膜板覆盖带Pt薄膜电阻温度传感器的PCB覆铜板，选择性地涂覆高导热绝缘硅胶；将二极管芯片固定安装在硅胶上表面确保Pt薄膜电阻温度传感器位于二极管芯片下方，使硅胶固化粘结芯片；在PCB覆铜板表面未覆盖Pt薄膜电阻温度传感器区域焊接二极管引出端，并将芯片表面焊盘和二极管引出端键合连接；注塑成型，获得芯片底部有Pt薄膜电阻温度传感器的功率二极管。

7.如权利要求6所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，硅胶完全覆盖了Pt薄膜电阻温度传感器的中间排线区域，部分覆盖了Pt薄膜电阻温度传感器的正极焊盘区域、负极焊盘区域以及PCB覆铜板，Pt薄膜电阻温度传感器的中间排线区域位于二极管芯片下方。

8.如权利要求2所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：将接入瞬态热阻测试电路的功率二极管放入恒温油槽，调节油液温度使二极管芯片PN结温度升高，实时记录PN结电压降-结温曲线，确定温度敏感参数K系数。

9.如权利要求2所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，在步骤S5中，T3ster采用最大加热电流驱动功率二极管，获得芯片结温Tj和Pt薄膜电阻温度传感器温度Tr的温度拟合关系式Tj＝k_max*Tr+b_max。

10.如权利要求1～9中任一项所述的Pt传感器实时监测加电状态下功率二极管结温的方法，其特征在于，所述Ti层厚度范围为5-20nm，所述Pt层厚度范围为300-1000nm；和/或所述PCB覆铜板被替换为陶瓷基板、或者金属基板。

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