CN116500400A - 碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统及方法，包括检测控制模块、IGBT大功率器件、可控电流源、半导体开关器件、直流电压源和漏源电压在线测量电路；检测控制模块分别与半导体开关器件、IGBT大功率器件和待测碳化硅功率器件相连，采集待测碳化硅功率器件输出的测试电流，并基于测试电流分别控制三者的通断；IGBT大功率器件的集电极与直流电压源相连，其发射极与待测碳化硅功率器件的源极相连接；半导体开关器件与可控电流源串联后，与待测碳化硅功率器件并联；漏源电压在线测量电路用于与待测碳化硅功率器件并联，在线测量待测碳化硅功率器的源漏极电压。本发明实现了对碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线、非入侵式原位表征。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术与电工技术领域，具体涉及一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统及方法。
背景技术
以碳化硅功率器件为代表的新一代宽禁带功率半导体器件具有导通电阻低、导热系数大、禁带宽度高、击穿场强高、开关速度快等显著优势，成为传统硅基功率器件的理想替代品，非常适合高温、高压和高频的应用场合。然而，碳化硅功率器件的芯片面积小、电流密度大，热量更容易聚集并在芯片内部产生高温，长期工作容易导致封装材料的退化。焊料层是碳化硅功率器件的芯片与散热外壳连接的主要封装材料，焊料层退化会导致热阻增加，进而引起结温的增大，当焊料层严重退化即将失效时，会导致结温的急剧增大，如不及时采取维护措施，可导致碳化硅功率器件的失效，引起重大事故。因此，碳化硅功率器件的焊料层失效状态的在线原位表征对于保障其可靠运行具有非常重要的实用价值和意义。
传统的焊料层失效状态的在线原位表征方法是基于稳态热阻在线测量的方法，该方法需要精确在线测量结温，结温的在线测量可分为入侵式测量法和非入侵式测量法。入侵式测量法又包括红外成像测量法和光纤测量法。红外成像测量法可以获得碳化硅功率器件芯片表面的结温分布情况，但是需要对芯片表面进行特殊处理，而且测量速度慢，需要破坏碳化硅功率器件外部的封装，不适合实际工况下的应用。光纤测量法虽然测量速度有所提高，但是仍需要破坏碳化硅功率器件外部的封装，同样不适合实际工况下的应用。非入侵式测量法包括热网络模型法和热敏感电参数法。热网络模型法需要获得功率器件内部各层材料的详细数据，此外，随着工作时间的延长，各层材料的退化会导致热网络模型的不准确，不适合结温的准确在线测量。热敏感电参数法是利用功率器件的热敏感电参数反推功率器件结温，具有测量速度快，不破坏功率器件外部封装、不影响器件正常工作的优势，常用于功率器件结温的在线测量。但是碳化硅功率器件，尤其是碳化硅功率MOSFET，其栅极氧化层仍存在缺陷，随着器件的退化，热敏感电参数会受到影响，因此，利用热敏感电参数间接测量的结温会存在较大的误差。
综上，现有利用热阻在线表征功率器件焊料层失效状态的方法，难以适用于高温高压大电流应用的碳化硅功率器件的实际应用。因此，迫切需要一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法，以实现对碳化硅功率器件的焊料层失效状态的在线、非入侵式原位表征。
焊料层严重退化时会出现大面积空洞和分层现象，当碳化硅功率器件承受高功率热冲击时，焊料层会存在蠕动，因此，临近几次高功率热冲击下，碳化硅功率器件的芯片和散热外壳之间接触面积会存在差别，直接导致该部分接触电阻不同，而且焊料层退化程度越严重，接触电阻的差别越大，这种差别可以用标准差的形式表现出来，通过设定焊料层失效时的标准差阈值即可在线表征焊料层失效状态。但是焊料层被封装在功率器件内部，其接触电阻又与功率器件芯片电阻、键合线电阻等部分耦合在一起，难以直接独立测量，因此，需要借助其他可直接监测的参数并进行合适建模以便在线表征焊料层失效状态。
碳化硅功率器件存在体效应现象，以碳化硅功率MOSFET为例，当碳化硅功率MOSFET工作于第三象限时，即碳化硅功率MOSFET的电流从源极流向漏极，源极到漏极电压为正值，驱动电压小于等于零，若驱动电压绝对值足够大，则恒定电流下的源极到漏极的电压可仅用于反映碳化硅功率MOSFET的封装退化情况；若驱动电压绝对值较小约为零伏时，则恒定电流下的源极到漏极的电压可仅用于反映碳化硅功率MOSFET的封装退化情况。因此，本发明基于碳化硅功率器件体效应，建立基于源漏极电压的标准差并通过设定标准差阈值，实现了对碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征。
此外，正常工况下，碳化硅功率器件的焊料层从退化到失效需要经历极长的时间，对本发明的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法的可行性验证存在较大难度，为了缩短测试时间，快速验证本发明的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法，本发明还涉及一种碳化硅功率器件的加速功率循环测试系统。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统及方法，实现了对碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线、非入侵式原位表征，克服了传统利用热阻在线表征焊料层失效方法的热阻特征量难以在线直接测量以及热阻间接测量误差大、矫正困难的缺点。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，包括：检测控制模块、IGBT大功率器件、可控电流源、半导体开关器件、直流电压源和漏源电压在线测量电路；
所述检测控制模块分别与半导体开关器件、IGBT大功率器件和待测碳化硅功率器件相连，采集待测碳化硅功率器件输出的测试电流，并基于所述测试电流分别控制三者的通断；
所述IGBT大功率器件的集电极与所述直流电压源相连，其发射极用于与所述待测碳化硅功率器件的源极相连接；
所述半导体开关器件与所述可控电流源串联后，用于与待测碳化硅功率器件并联；
所述漏源电压在线测量电路用于与待测碳化硅功率器件并联，在线测量并采集待测碳化硅功率器的源漏极电压。
可选地，所述检测控制模块包括第一驱动电路、第二驱动电路、第一隔离电路、第二隔离电路、第三隔离电路、第四隔离电路、电流检测电路、检测电阻和FPGA控制板；
所述检测电阻与和电流检测电路配合采集待测碳化硅功率器件输出的测试电流，通过第二隔离电路将所述测试电流传递到FPGA控制板；
所述第一驱动电路通过第一隔离电路接受来自FPGA控制板发出的控制信号，用于驱动待测碳化硅功率器件的开通和关断；
所述第二驱动电路通过第三隔离电路接受来自FPGA控制板发出的控制信号，用于驱动IGBT大功率器件的开通和关断；
所述半导体开关器件的额定电流电压等级小于设定阈值，通过第四隔离电路接受FPGA控制板发出控制信号，由FPGA控制板控制开通和关断。
可选地，所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括的电子负载，所述直流电压源和电子负载为待测碳化硅功率器件提供加速功率循环的测试电流，其中电子负载设定动态电流模式，在大电流和零电流之间循环切换，在大电流持续阶段，待测碳化硅功率器件内部产生大的功耗，引起高的结温，在零电流持续阶段，待测碳化硅功率器件被冷却。
可选地，所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括与源漏电压在线测量电路相连的数据采集模块，用于在线采集加速功率循环测试过程中待测碳化硅功率器件的源漏极电压；其中，所述源漏电压在线测量电路用于对待测碳化硅功率器件的源漏极电压的等比例缩放，使其输出电压在数据采集模块的安全工作范围；所述源漏电压在线测量电路还需要兼顾加热大电流下待测碳化硅功率器件的漏源极电压值，保证源漏电压在线测量电路的输出电压在数据采集模块的安全工作范围。
可选地，所述直流电压源的正极和IGBT大功率器件的集电极连接到A点，直流电压源的负极与功率地F点相连接；IGBT大功率器件的发射极与控制地2在B点处相连接，所述IGBT大功率器件的栅极与第二驱动电路在C点处相连接；第二驱动电路以控制地为电路参考地，第二驱动电路通过第三隔离电路接受来自FPGA控制板的信号；待测碳化硅功率器件的源极连接于B点，栅极连接于G点；第一驱动电路与G点相连，同时第一驱动电路的电路地和电流检测电路的电路地均为控制地1，连接于D点；检测电阻的一端与D点连接，另一端与E点连接；E点又与电子负载一端相连接，另一端与功率地F点连接；半导体开关器件的一端与B点连接，另一端与可控电流源的阴极连接；可控电流源的阳极与D点连接；源漏电压在线测量电路的输入端与B点和D点连接，输出端与数据采集模块连接，在线测量并采集待测碳化硅功率器件的源漏极电压。
可选地，所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括铜散热器、水冷排和恒温水浴装置；所述恒温水浴装置中的水被加热到设定的恒定温度后，恒定温度的水被泵送到铜散热器中，所述铜散热器通过热界面材料与待测碳化硅功率器件的散热外壳接触，确保待测碳化硅功率器件的壳温恒定；恒定温度的水通过铜散热器后流入水冷排，通过散热件将加热大电流在待测碳化硅功率器件产生的热量带走，最终经冷却后的水再次进入恒温水浴装置，然后被加热到设定的恒定温度。
可选地，当焊料层失效状态在线原位表征系统正常工作时，所述IGBT大功率器件保持导通；当焊料层失效状态在线原位表征系统发生不可控的大电流短路故障时，所述IGBT大功率器件立即关断；当待测碳化硅功率器件处于关断状态，所述IGBT大功率器件也处于关断状态，所述半导体开关器件导通，所述可控电流源的输出电流流入待测碳化硅功率器件上的寄生二极管。
第二方面，本发明提供了一种基于第一方面中任一项所述的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统的使用方法，包括：
利用所述漏源电压在线测量电路实时在线采集待测碳化硅功率器件的源漏电压；
计算出待测碳化硅功率器件在加速功率循环测试中临近r个周期内的源漏电压的标准差，并与碳化硅功率器件焊料层失效时的源漏电压标准差的阈值进行比较和判断，完成待测碳化硅功率器件的焊料层失效状态的在线原位表征；
每个周期内的源漏电压通过以下步骤获得：
t0-t1阶段，检测控制模块发出多路控制信号，使得IGBT大功率器件和待测碳化硅功率器件均被关断，待测碳化硅功率器件处于冷却阶段，半导体开关器件处于开通状态，；
t1-t2阶段，t1时刻，检测控制模块发出控制信号，使得IGBT大功率器件S1和待测碳化硅功率器件Q1均被开通，半导体开关器件S2处于关断状态，将待测碳化硅功率器件的驱动电压值提高至设定阈值，使得待测碳化硅功率器件处于加热阶段；
t2-t3阶段，t2时刻，检测控制模块发出控制信号，使得IGBT大功率器件关断，半导体开关器件开始导通，待测碳化硅功率器件的驱动电压变成负值，待测碳化硅功率器件处于冷却阶段；
利用源漏电压在线测量电路实时在线采集待测碳化硅功率器件的源漏电压，在待测碳化硅功率器件完全冷却后，对预设的最后一段时间的源漏电压进行平均运算，用于计算源漏电压的标准差。
可选地，t0-t1阶段，所述直流电压源的电压被设置为高于电子负载最低工作电压；
碳化硅功率器件冷却阶段的驱动电压通过以下步骤获得：
获取待测碳化硅功率器件在可变电流源输出不同电流Isd时的驱动电压-源漏极电压关系曲线；
选取Isd大于设于阈值时的驱动电压-源漏极电压关系曲线，在该曲线中，当源漏极电压不再随驱动电压改变而改变时，取该驱动电压值为待测碳化硅功率器件冷却阶段的驱动电压Vgsoff。
可选地，所述驱动电压-源漏极电压关系曲线通过以下步骤获得：
设定可变电流源的输出电流Isd为mA级到A级的其中一种；
不断改变驱动电压，且驱动电压≤0V，并测量对应的源漏极电压值，得到不同输出电流Isd下的驱动电压-源漏极电压关系曲线。
可选地，t0-t1阶段的碳化硅功率器件的初始壳温，以及t1-t2阶段的碳化硅功率器件的加热电流通过以下步骤获得：
根据待测碳化硅功率器件结芯到散热外壳之间稳态热阻RJC、散热外壳到铜散热器之间的稳态热阻RCH、以及导通电阻Rdson，计算出加热阶段碳化硅功率器件结温差ΔTJ，ΔTJ＝(RJC+RCH)(IdH)2Rdson；
根据确定出碳化硅功率器件加热阶段的电流值IdH和初始壳温TH。
可选地，t1-t2阶段的碳化硅功率器件的加热持续时间必须满足待测碳化硅功率器件在该时间内进入热稳态；t2-t3阶段的碳化硅功率器件的冷却持续时间必须满足待测碳化硅功率器件在该时间内能够被完全冷却。
可选地，所述源漏电压标准差的阈值stdVsdmax为源漏电压标准差连续增大且呈现不规则变化时的值。
可选地，r个周期内的源漏电压的标准差的计算公式为：
其中，Vsd_i为第i个周期的冷却阶段最后tsd时间内的源漏电压平均值，1≤i≤r。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明能够实现对碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线、非入侵式原位表征，克服了传统利用热阻在线表征焊料层失效方法的热阻特征量难以在线直接测量以及热阻间接测量误差大、矫正困难的缺点。
(2)本发明具有表征碳化硅功率器件的焊料层失效的特征参数可直接在线测量、特征参数的建模方法简单以及所需计算空间小等优点。
(3)本发明能够解决了碳化硅功率器件体效应测试以及碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法的可行性验证难的问题。
(4)本发明适用于各种类型具有体效应的碳化硅功率器件，如SiC MOSFET，SiCIGBT。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明一种实施例的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统的原理图；
图2为本发明一种实施例的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统的工作时序图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
本发明实施例中提供了一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，如图1所示，包括检测控制模块、IGBT大功率器件S1、可控电流源Isd、半导体开关器件S2、直流电压源VDC和漏源电压在线测量电路；
所述检测控制模块分别与半导体开关器件S2、IGBT大功率器件S1和待测碳化硅功率器件Q1相连，采集待测碳化硅功率器件Q1输出的测试电流，并基于所述测试电流分别控制半导体开关器件S2、IGBT大功率器件S1和待测碳化硅功率器件Q1的通断；
所述IGBT大功率器件S1的集电极与所述直流电压源VDC相连，其发射极用于与所述待测碳化硅功率器件Q1的源极相连接；
所述半导体开关器件S2与所述可控电流源Isd串联后，用于与待测碳化硅功率器件Q1并联；在具体实施过程中，所述半导体开关器件为小信号半导体开关器件；
所述漏源电压在线测量电路用于与待测碳化硅功率器件Q1并联，在线测量并采集待测碳化硅功率器件Q1的源漏极电压。
基于上述方案，本发明实施例中的系统能够实现对碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线、非入侵式原位表征，克服了传统利用热阻在线表征焊料层失效方法的热阻特征量难以在线直接测量以及热阻间接测量误差大、矫正困难的缺点。
在本发明实施例一种具体实施方式中，所述检测控制模块包括第一驱动电路(即驱动电路1)、第二驱动电路(即驱动电路2)、第一隔离电路(即隔离电路1)、第二隔离电路(即隔离电路2)、第三隔离电路(即隔离电路3)、第四隔离电路(即隔离电路4)、电流检测电路、检测电阻RSense和FPGA控制板；
所述检测电阻RSense与和电流检测电路配合采集待测碳化硅功率器件Q1输出的测试电流，通过第二隔离电路将所述测试电流传递到FPGA控制板；
所述第一驱动电路通过第一隔离电路接受来自FPGA控制板发出的控制信号，用于驱动待测碳化硅功率器件Q1的开通和关断；
所述第二驱动电路通过第三隔离电路接受来自FPGA控制板发出的控制信号，用于驱动IGBT大功率器件S1的开通和关断；
所述半导体开关器件S2的额定电流电压等级小于设定阈值(即S2的额定电流电压等级较小)，通过第四隔离电路接受FPGA控制板发出控制信号，由FPGA控制板控制开通和关断。
在本发明实施例一种具体实施方式中，所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括的电子负载，所述直流电压源VDC和电子负载为待测碳化硅功率器件Q1提供加速功率循环的测试电流，其中电子负载设定动态电流模式，在大电流和零电流之间循环切换，在大电流持续阶段(即加热阶段)，待测碳化硅功率器件Q1内部产生大的功耗，引起高的结温，在零电流持续阶段(即冷却阶段)，待测碳化硅功率器件Q1被冷却。
在本发明实施例一种具体实施方式中，所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括与源漏电压在线测量电路相连的数据采集模块，用于在线采集加速功率循环测试过程中待测碳化硅功率器件Q1的源漏极电压，即与待测碳化硅功率器件Q1并联的寄生二极管的正向导通电压；其中，所述源漏电压在线测量电路用于对待测碳化硅功率器件Q1的源漏极电压的等比例缩放，使其输出电压在数据采集模块的安全工作范围；所述源漏电压在线测量电路还需要兼顾加热大电流下待测碳化硅功率器件的漏源极电压值，保证源漏电压在线测量电路的输出电压在数据采集模块的安全工作范围。此外，所述数据采集模块还具有电气隔离功能。
在本发明实施例一种具体实施方式中，所述直流电压源VDC的正极和IGBT大功率器件S1的集电极连接到A点，直流电压源VDC的负极与功率地F点相连接；IGBT大功率器件S1的发射极与控制地2在B点处相连接，所述IGBT大功率器件S1的栅极与第二驱动电路在C点处相连接；第二驱动电路以控制地为电路参考地，第二驱动电路通过第三隔离电路接受来自FPGA控制板的信号；待测碳化硅功率器件Q1的源极连接于B点，栅极连接于G点；第一驱动电路与G点相连，同时第一驱动电路的电路地和电流检测电路的电路地均为控制地1，连接于D点；检测电阻RSense的的一端与D点连接，另一端与E点连接；E点又与电子负载一端相连接，另一端与功率地F点连接；半导体开关器件S2的一端与B点连接，另一端与可控电流源的阴极连接；可控电流源Isd的阳极与D点连接；源漏电压在线测量电路的输入端与B点和D点连接，输出端与数据采集模块连接，在线测量并采集待测碳化硅功率器件的源漏极电压。
在本发明实施例一种具体实施方式中，所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括铜散热器、水冷排和恒温水浴装置，用于冷却待测碳化硅功率器件Q1，以及为待测碳化硅功率器件Q1设置恒定的壳温。具体地，所述恒温水浴装置中的水被加热到设定的恒定温度后，恒定温度的水被泵送到铜散热器(内部设有水道)中，所述铜散热器通过热界面材料与待测碳化硅功率器件的散热外壳接触，确保待测碳化硅功率器件的壳温恒定；恒定温度的水通过铜散热器后流入水冷排，通过散热件将加热大电流在待测碳化硅功率器件产生的热量带走，最终经冷却后的水再次进入恒温水浴装置，然后被加热到设定的恒定温度。
在本发明实施例一种具体实施方式中，上述的IGBT大功率器件S1具有两个功能，其一，用于为加速功率循环测试系统提供必要的故障保护，即当焊料层失效状态在线原位表征系统正常工作时，所述IGBT大功率器件保持导通；当焊料层失效状态在线原位表征系统发生不可控的大电流短路故障时，所述IGBT大功率器件立即关断，保护本发明实施例中的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统；其二，配合小信号半导体开关器件S2，当待测碳化硅功率器件处于关断状态，所述IGBT大功率器件也处于关断状态，所述半导体开关器件导通，所述可控电流源的输出电流流入待测碳化硅功率器件上的寄生二极管。
综上所述，本发明实施例中的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统的工作原理为：
利用所述漏源电压在线测量电路实时在线采集待测碳化硅功率器件Q1的源漏电压；
计算出待测碳化硅功率器件Q1在加速功率循环测试中临近r个周期内的源漏电压的标准差，并与碳化硅功率器件Q1焊料层失效时的源漏电压标准差的阈值进行比较和判断，完成待测碳化硅功率器件Q1的焊料层失效状态的在线原位表征；
每个周期内的源漏电压通过以下步骤获得：
t0-t1阶段，检测控制模块发出多路控制信号，使得IGBT大功率器件S1和待测碳化硅功率器件Q1均被关断，待测碳化硅功率器件Q1处于冷却阶段，半导体开关器件S2处于开通状态；
t1-t2阶段，t1时刻，检测控制模块发出控制信号，使得IGBT大功率器件S1和待测碳化硅功率器件Q1均被开通，半导体开关器件S2处于关断状态，将待测碳化硅功率器件Q1的驱动电压值提高至设定阈值，使得待测碳化硅功率器件Q1处于加热阶段；
t2-t3阶段，t2时刻，检测控制模块发出控制信号，IGBT大功率器件关断S1，半导体开关器件S2开始导通，待测碳化硅功率器件Q1的驱动电压变成负值，待测碳化硅功率器件Q1处于冷却阶段；
利用源漏电压在线测量电路实时在线采集待测碳化硅功率器件的源漏电压，在待测碳化硅功率器件完全冷却后，对预设的最后一段时间的源漏电压进行平均运算，用于计算源漏电压的标准差。
其中，t0-t1阶段，所述直流电压源的电压被设置为高于电子负载最低工作电压；
碳化硅功率器件冷却阶段的驱动电压通过以下步骤获得：获取待测碳化硅功率器件在可变电流源输出不同电流Isd时的驱动电压-源漏极电压关系曲线；选取Isd大于设于阈值时的驱动电压-源漏极电压关系曲线，在该曲线中，当源漏极电压不再随驱动电压改变而改变时，取该驱动电压值为待测碳化硅功率器件冷却阶段的驱动电压Vgsoff。
所述驱动电压-源漏极电压关系曲线通过以下步骤获得：设定可变电流源的输出电流Isd为mA级到A级的其中一种；不断改变驱动电压，且驱动电压≤0V，并测量对应的源漏极电压值，得到不同输出电流Isd下的驱动电压-源漏极电压关系曲线。
其中，t0-t1阶段的碳化硅功率器件的初始壳温，以及t1-t2阶段的碳化硅功率器件的加热电流通过以下步骤获得：
根据待测碳化硅功率器件结芯到散热外壳之间稳态热阻RJC、散热外壳到铜散热器之间的稳态热阻RCH、以及导通电阻Rdson，计算出加热阶段碳化硅功率器件结温差ΔTJ，ΔTJ＝(RJC+RCH)(IdH)2Rdson；
根据确定出碳化硅功率器件加热阶段的电流值IdH和初始壳温TH。
t1-t2阶段的碳化硅功率器件的加热持续时间必须满足待测碳化硅功率器件在该时间内进入热稳态；t2-t3阶段的碳化硅功率器件的冷却持续时间必须满足待测碳化硅功率器件在该时间内能够被完全冷却。
其中，所述源漏电压标准差的阈值stdVsdmax为源漏电压标准差连续增大且呈现不规则变化时的值。
其中，r个周期内的源漏电压的标准差的计算公式为：
其中，Vsd_i为第i个周期的冷却阶段最后tsd时间内的源漏电压平均值，1≤i≤r。
实施例2
本发明实施例中提供了一种基于实施例1中任一项所述的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统的使用方法，包括以下步骤：
(1)利用所述漏源电压在线测量电路实时在线采集待测碳化硅功率器件的源漏电压；
(2)计算出待测碳化硅功率器件在加速功率循环测试中临近r个周期内的源漏电压的标准差，并与碳化硅功率器件焊料层失效时的源漏电压标准差的阈值进行比较和判断，完成待测碳化硅功率器件的焊料层失效状态的在线原位表征；当源漏电压标准差大于事先获得的源漏电压标准差的阈值时，即认为焊料层失效，从而实现了SiC功率器件的焊料层失效状态的在线原位表征；
其中，每个周期内的源漏电压通过以下步骤获得：
t0-t1阶段，检测控制模块发出多路控制信号，使得IGBT大功率器件和待测碳化硅功率器件均被关断，待测碳化硅功率器件处于冷却阶段，半导体开关器件处于开通状态，；
t1-t2阶段，t1时刻，检测控制模块发出控制信号，使得IGBT大功率器件S1和待测碳化硅功率器件Q1均被开通，半导体开关器件S2处于关断状态，将待测碳化硅功率器件的驱动电压值提高至设定阈值，使得待测碳化硅功率器件处于加热阶段；
t2-t3阶段，t2时刻，检测控制模块发出控制信号，使得IGBT大功率器件关断，半导体开关器件开始导通，待测碳化硅功率器件的驱动电压变成负值，待测碳化硅功率器件处于冷却阶段；
利用源漏电压在线测量电路实时在线采集待测碳化硅功率器件的源漏电压，在待测碳化硅功率器件完全冷却后，对预设的最后一段时间的源漏电压进行平均运算，用于计算源漏电压的标准差。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，t0-t1阶段，所述直流电压源的电压被设置为高于电子负载最低工作电压；具体地，获取直流电压源电压VDC，需要考虑电子负载最低工作电压，然后将直流电压源电压VDC设置为高于电子负载最低工作电压。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述碳化硅功率器件冷却阶段的驱动电压通过以下步骤获得：
获取待测碳化硅功率器件在可变电流源输出不同电流Isd时的驱动电压-源漏极电压关系曲线；具体地，所述驱动电压-源漏极电压关系曲线通过以下步骤获得：设定可变电流源的输出电流Isd为mA级到A级的其中一种；不断改变驱动电压，且驱动电压≤0V，并测量对应的源漏极电压值，得到不同输出电流Isd下的驱动电压-源漏极电压关系曲线。
关于Isd电流值的选择，有如下考虑：其一，源漏极电阻由芯片电阻、焊料层电阻和键合线电阻串联组成，源漏极电压即由该串联电阻与Isd相乘得到，由于焊料层电阻数值较小(约几十μΩ至数mΩ)，需选取较大数值的Isd(数值约数A)的才能使焊料层电阻产生的电压部分数值更大。基于此，当焊料层失效时，由源漏极电压得到的标准差的变化就更加明显，便于利用该标准差在线表征焊料层失效状态；其二，Isd电流值较大时，从SiC功率器件不同Isd电流下的驱动电压-源漏极电压关系曲线可知，源漏极电压不再随驱动电压改变而改变时的驱动电压绝对值较大，即更大的负的驱动电压，这会导致被测SiC功率器件可靠性受到影响，因此，需要权衡考虑，从而选择最合适的Isd值。为此，本发明提出选取Isd大于设于阈值时的驱动电压-源漏极电压关系曲线，在该曲线中，当源漏极电压不再随驱动电压改变而改变时，取该驱动电压值为待测碳化硅功率器件冷却阶段的驱动电压Vgsoff。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，t0-t1阶段的碳化硅功率器件的初始壳温，以及t1-t2阶段的碳化硅功率器件的加热电流通过以下步骤获得：
根据待测碳化硅功率器件结芯到散热外壳之间稳态热阻RJC、散热外壳到铜散热器之间的稳态热阻RCH、以及导通电阻Rdson，计算出加热阶段碳化硅功率器件结温差ΔTJ，
ΔTJ＝(RJC+RCH)(IdH)2Rdson (1)；
根据公式(2)确定出碳化硅功率器件加热阶段的电流值IdH和初始壳温TH；
在本发明实施例的一种具体实施方式中，t1-t2阶段的碳化硅功率器件的加热持续时间必须满足待测碳化硅功率器件在该时间内进入热稳态；t2-t3阶段的碳化硅功率器件的冷却持续时间必须满足待测碳化硅功率器件在该时间内能够被完全冷却。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述源漏电压标准差的阈值stdVsdmax为源漏电压标准差连续增大且呈现不规则变化时的值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，r个周期内的源漏电压的标准差通过以下步骤获得：
首先取被测碳化硅功率器件加速功率循环测试过程中第i个周期的冷却阶段最后tsd时间内的源漏电压平均值Vsd_i，然后，依此取第i+1直至第i+r-1个周期的冷却阶段最后tsd时间内的源漏电压平均值，即Vsd_i+1至Vsd_i+r-1，最后，根据公式(3)，即可得上述r个周期的源漏电压平均值的标准差stdVsd_i，计算公式为：
其中，Vsd_i为第i个周期的冷却阶段最后tsd时间内的源漏电压平均值，1≤i≤r，在具体实施过中，所述r可以取5。
碳化硅(SiC)功率器件焊料层失效时的源漏电压标准差的阈值stdVsdmax，需要考虑键合线失效时导致的源漏电压标准差阈值。碳化硅功率器件内部由多根键合线构成，单根键合线与SiC芯片接触面积远小于焊料层与SiC芯片的接触面积，且单根键合线电阻较小，而键合线失效模式是由单根失效逐渐发展成多根失效，因此，键合线失效时，源漏电压标准差增大的量要小于焊料层失效时的增大量，且键合线失效的最终模式是翘起或断裂，一旦键合线翘起或断裂后，源漏电压标准差会降低到较小值，但是焊料层失效时，会出现大面积空洞或分层，导致SiC芯片与散热外壳之间存在极大的不良接触，因此，源漏电压标准差只会越来越大并呈现极大的不规则波动；基于上述考虑，在确定碳化硅(SiC)功率器件焊料层失效时的源漏电压标准差的阈值时，应以源漏电压标准差连续增大且呈现不规则变化时的值作为阈值stdVsdmax。
图2所示是本发明的工作时序波形图，结合图1和图2说明本发明的功率管老化测试方法的具体工作原理：
t0-t1阶段，FPGA控制板发出多路控制信号，使得IGBT大功率器件S1以及被测碳化硅功率器件Q1均被关断，被测碳化硅功率器件Q1处于冷却阶段，小信号半导体开关器件S2处于开通状态，其中Vs1、Vs2、Vgs分别代表S1、S2以及Q1的驱动电压，高电平代表开通，低电平代表关断。该阶段，直流母线电压VDC、壳温TC、Q1冷却阶段的驱动电压Vgsoff等均按照前述要求设定。
t1-t2阶段，t1时刻，FPGA控制板发出控制信号，使得被测功率管Q1的驱动电压值较高，记为Vgson，处于加热阶段。该阶段Q1的加热电流IdH，持续时间ton等参数根据前述要求设置，并由电子负载设置而成。
t2-t3阶段，t2时刻，FPGA控制板发出控制信号，S1关断，S2开始导通，Q1驱动电压变成负值，即Vgsoff，处于冷却阶段。该阶段Isd和Vgsoff根据权利要求10和权利要求11设置。数据采集模块实时在线采集Vsd值。在Q1完全冷却后，对最后一段时间(即图2中t3-0至t3时间段tsd)的Vsd值进行平均运算，作为后续标准差计算的数据。
此后，电路重复t1-t3阶段的工作状态，不在赘述。
上述t1-t3阶段，只是SiC功率器件的加速功率循环实验的一个循环周期，根据公式(3)，取连续r个周期的Vsd平均值进行标准差运算，实时与获得的标准差阈值stdVsdmax进行比较和判断，当标准差持续超过stdVsdmax时，即认为被测SiC功率器件焊料层失效，实现了碳化硅功率器件的焊料层失效状态的在线原位表征。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (14)
1.一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，其特征在于，包括：检测控制模块、IGBT大功率器件、可控电流源、半导体开关器件、直流电压源和漏源电压在线测量电路；
所述检测控制模块分别与半导体开关器件、IGBT大功率器件和待测碳化硅功率器件相连，采集待测碳化硅功率器件输出的测试电流，并基于所述测试电流分别控制三者的通断；
所述IGBT大功率器件的集电极与所述直流电压源相连，其发射极用于与所述待测碳化硅功率器件的源极相连接；
所述半导体开关器件与所述可控电流源串联后，用于与待测碳化硅功率器件并联；
所述漏源电压在线测量电路用于与待测碳化硅功率器件并联，在线测量并采集待测碳化硅功率器的源漏极电压。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，其特征在于：所述检测控制模块包括第一驱动电路、第二驱动电路、第一隔离电路、第二隔离电路、第三隔离电路、第四隔离电路、电流检测电路、检测电阻和FPGA控制板；
所述检测电阻与和电流检测电路配合采集待测碳化硅功率器件输出的测试电流，通过第二隔离电路将所述测试电流传递到FPGA控制板；
所述第一驱动电路通过第一隔离电路接受来自FPGA控制板发出的控制信号，用于驱动待测碳化硅功率器件的开通和关断；
所述第二驱动电路通过第三隔离电路接受来自FPGA控制板发出的控制信号，用于驱动IGBT大功率器件的开通和关断；
所述半导体开关器件的额定电流电压等级小于设定阈值，通过第四隔离电路接受FPGA控制板发出控制信号，由FPGA控制板控制开通和关断。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，其特征在于：所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括的电子负载，所述直流电压源和电子负载为待测碳化硅功率器件提供加速功率循环的测试电流，其中电子负载设定动态电流模式，在大电流和零电流之间循环切换，在大电流持续阶段，待测碳化硅功率器件内部产生大的功耗，引起高的结温，在零电流持续阶段，待测碳化硅功率器件被冷却。
4.根据权利要求3所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，其特征在于：所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括与源漏电压在线测量电路相连的数据采集模块，用于在线采集加速功率循环测试过程中待测碳化硅功率器件的源漏极电压；其中，所述源漏电压在线测量电路用于对待测碳化硅功率器件的源漏极电压的等比例缩放，使其输出电压在数据采集模块的安全工作范围；所述源漏电压在线测量电路还需要兼顾加热大电流下待测碳化硅功率器件的漏源极电压值，保证源漏电压在线测量电路的输出电压在数据采集模块的安全工作范围。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，其特征在于：所述直流电压源的正极和IGBT大功率器件的集电极连接到A点，直流电压源的负极与功率地F点相连接；IGBT大功率器件的发射极与控制地2在B点处相连接，所述IGBT大功率器件的栅极与第二驱动电路在C点处相连接；第二驱动电路以控制地为电路参考地，第二驱动电路通过第三隔离电路接受来自FPGA控制板的信号；待测碳化硅功率器件的源极连接于B点，栅极连接于G点；第一驱动电路与G点相连，同时第一驱动电路的电路地和电流检测电路的电路地均为控制地1，连接于D点；检测电阻的一端与D点连接，另一端与E点连接；E点又与电子负载一端相连接，另一端与功率地F点连接；半导体开关器件的一端与B点连接，另一端与可控电流源的阴极连接；可控电流源的阳极与D点连接；源漏电压在线测量电路的输入端与B点和D点连接，输出端与数据采集模块连接，在线测量并采集待测碳化硅功率器件的源漏极电压。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，其特征在于：所述焊料层失效状态在线原位表征系统还包括铜散热器、水冷排和恒温水浴装置；所述恒温水浴装置中的水被加热到设定的恒定温度后，恒定温度的水被泵送到铜散热器中，所述铜散热器通过热界面材料与待测碳化硅功率器件的散热外壳接触，确保待测碳化硅功率器件的壳温恒定；恒定温度的水通过铜散热器后流入水冷排，通过散热件将加热大电流在待测碳化硅功率器件产生的热量带走，最终经冷却后的水再次进入恒温水浴装置，然后被加热到设定的恒定温度。
7.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统，其特征在于：当焊料层失效状态在线原位表征系统正常工作时，所述IGBT大功率器件保持导通；当焊料层失效状态在线原位表征系统发生不可控的大电流短路故障时，所述IGBT大功率器件立即关断；当待测碳化硅功率器件处于关断状态，所述IGBT大功率器件也处于关断状态，所述半导体开关器件导通，所述可控电流源的输出电流流入待测碳化硅功率器件上的寄生二极管。
8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征系统的使用方法，其特征在于，包括：
利用所述漏源电压在线测量电路实时在线采集待测碳化硅功率器件的源漏电压；
计算出待测碳化硅功率器件在加速功率循环测试中临近r个周期内的源漏电压的标准差，并与碳化硅功率器件焊料层失效时的源漏电压标准差的阈值进行比较和判断，完成待测碳化硅功率器件的焊料层失效状态的在线原位表征；
每个周期内的源漏电压通过以下步骤获得：
t0-t1阶段，检测控制模块发出多路控制信号，使得IGBT大功率器件和待测碳化硅功率器件均被关断，待测碳化硅功率器件处于冷却阶段，半导体开关器件处于开通状态，；
t1-t2阶段，t1时刻，检测控制模块发出控制信号，使得IGBT大功率器件S1和待测碳化硅功率器件Q1均被开通，半导体开关器件S2处于关断状态，将待测碳化硅功率器件的驱动电压值提高至设定阈值，使得待测碳化硅功率器件处于加热阶段；
t2-t3阶段，t2时刻，检测控制模块发出控制信号，使得IGBT大功率器件关断，半导体开关器件开始导通，待测碳化硅功率器件的驱动电压变成负值，待测碳化硅功率器件处于冷却阶段；
利用源漏电压在线测量电路实时在线采集待测碳化硅功率器件的源漏电压，在待测碳化硅功率器件完全冷却后，对预设的最后一段时间的源漏电压进行平均运算，用于计算源漏电压的标准差。
9.根据权利要求8所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法，其特征在于：t0-t1阶段，所述直流电压源的电压被设置为高于电子负载最低工作电压；
碳化硅功率器件冷却阶段的驱动电压通过以下步骤获得：
获取待测碳化硅功率器件在可变电流源输出不同电流Isd时的驱动电压-源漏极电压关系曲线；
选取Isd大于设于阈值时的驱动电压-源漏极电压关系曲线，在该曲线中，当源漏极电压不再随驱动电压改变而改变时，取该驱动电压值为待测碳化硅功率器件冷却阶段的驱动电压Vgsoff。
10.根据权利要求9所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法，其特征在于，所述驱动电压-源漏极电压关系曲线通过以下步骤获得：
设定可变电流源的输出电流Isd为mA级到A级的其中一种；
不断改变驱动电压，且驱动电压≤0V，并测量对应的源漏极电压值，得到不同输出电流Isd下的驱动电压-源漏极电压关系曲线。
11.根据权利要求8所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法，其特征在于：t0-t1阶段的碳化硅功率器件的初始壳温，以及t1-t2阶段的碳化硅功率器件的加热电流通过以下步骤获得：
根据待测碳化硅功率器件结芯到散热外壳之间稳态热阻RJC、散热外壳到铜散热器之间的稳态热阻RCH、以及导通电阻Rdson，计算出加热阶段碳化硅功率器件结温差ΔTJ，ΔTJ＝(RJC+RCH)(IdH)2Rdson；
根据确定出碳化硅功率器件加热阶段的电流值IdH和初始壳温TH。
12.根据权利要求8所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法，其特征在于：t1-t2阶段的碳化硅功率器件的加热持续时间必须满足待测碳化硅功率器件在该时间内进入热稳态；t2-t3阶段的碳化硅功率器件的冷却持续时间必须满足待测碳化硅功率器件在该时间内能够被完全冷却。
13.根据权利要求8所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法，其特征在于，所述源漏电压标准差的阈值stdVsdmax为源漏电压标准差连续增大且呈现不规则变化时的值。
14.根据权利要求8所述的一种碳化硅功率器件的焊料层失效状态在线原位表征方法，其特征在于：r个周期内的源漏电压的标准差的计算公式为：
其中，Vsd_i为第i个周期的冷却阶段最后tsd时间内的源漏电压平均值，1≤i≤r。
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