1 常用的結(jié)溫測試方法

因為IGBT芯片在模塊內(nèi)部，難以直接測量，也不易直接接觸，國內(nèi)外關(guān)于IGBT芯片的結(jié)溫測試方法有很多研究，這也是近年來半導體器件的研究熱點與難點之一。現(xiàn)有的IGBT模塊內(nèi)部芯片的結(jié)溫檢測技術(shù)可大致分為如下三種方法：熱敏參數(shù)法、熱成像法和熱電偶法。

 

1.1 熱敏參數(shù)法

因為半導體器件內(nèi)部物理參數(shù)與溫度有著一一對應的關(guān)系，因此半導體材料受溫度影響的特性將會使得IGBT功率器件的工作電氣特性呈現(xiàn)單調(diào)變化的趨勢，熱敏參數(shù)法就是利用了半導體器件電氣參數(shù)隨溫度變化而變化的特性。在不同的工況下，IGBT芯片的結(jié)溫會發(fā)生變化，使得對應的電氣參數(shù)也發(fā)生變化。熱敏參數(shù)法就是通過測量IGBT的電氣參數(shù)，從而逆向評估IGBT芯片的結(jié)溫。熱敏參數(shù)法測試IGBT結(jié)溫時，一般有兩個狀態(tài)：工作狀態(tài)和測量狀態(tài)。測試過程中，將IGBT從工作狀態(tài)向測量狀態(tài)切換時，需要快速的切斷大電流；轉(zhuǎn)而將測試小電流加到器件上，從而獲取此時的結(jié)電壓來確定相應的結(jié)溫。但是測試設(shè)備在切換的過程中會因為轉(zhuǎn)換延遲而導致zui初的一段時間的測試數(shù)據(jù)不準確。如果我們不做任何處理直接使用測試數(shù)據(jù)，必然會導致zui終的結(jié)溫偏差較大。

 

1.2 熱成像法

紅外熱成像儀能夠全局檢測IGBT晶圓的溫度分布。在用紅外熱成像儀測試之前，需要將待測IGBT做特殊處理。將IGBT模塊的封裝蓋板打開，刮掉晶圓表面的透明硅脂；然后需要將IGBT晶圓表面涂黑，因為這樣可以增加輻射系數(shù)，從而提高溫度測試的準確度。熱成像法的優(yōu)點是zui高結(jié)溫和熱阻非常準確，可用于校驗其他測試方法的準確性。但是需要破壞器件，將IGBT模塊拆開，特制IGBT黑模塊，熱成像法測試系統(tǒng)比較復雜，而且成本昂貴，在工程應用中并不多見。

 

1.3 熱電偶法

熱電偶法是通過直接與IGBT模塊的芯片接觸而獲取結(jié)溫的方法。熱電偶法測量時對模塊具有一定的破壞性，測量溫度僅能反應熱電偶附近的溫度，不能獲取整個IGBT芯片的溫度，而且熱電偶與芯片直接接觸，也會導致測量結(jié)果與真實結(jié)溫偏差較大。相比之下，熱敏參數(shù)法無需破壞器件結(jié)構(gòu)且無需附加設(shè)備，具有更好的可操作性和適用性，需要解決的問題就是工作狀態(tài)到測量狀態(tài)轉(zhuǎn)換階段的暫態(tài)噪聲問題。

 

2 英飛凌IGBT的熱阻測試方法

英飛凌測試IGBT熱阻使用的測試設(shè)備是熱瞬態(tài)測試儀T3Ster。T3Ster主要用于測試電子器件的熱特性。國際固態(tài)技術(shù)協(xié)會JEDEC在標準JESD51-1中定義了靜態(tài)測試法與動態(tài)測試法。核心思想是通過改變半導體器件的輸入功率，使器件產(chǎn)生溫度變化，T3Ster能夠?qū)崟r采集器件瞬態(tài)溫度響應曲線，從而得到電子器件的熱特性。

熱瞬態(tài)測試界面法具有很高的準確性和可重復性，通過這種高重復性的方法，可以方便地比較各種器件的結(jié)殼熱阻，而且這種方法同樣適用于熱界面材料的熱特性表征（見圖1）。

 

非常好次測量時直接將器件直接接觸到散熱器上；第二次測量時在器件和散熱器之間添加導熱膠。由于兩次散熱路徑的改變僅僅發(fā)生在器件封裝殼之外，因此結(jié)構(gòu)函數(shù)上兩次測量的分界處就代表了外界環(huán)境的變化對器件熱阻的影響。從右邊的測試結(jié)果看出，半導體器件是否加導熱膠在zui初的一段時間里，對熱阻幾乎沒有影響。在IGBT器件手冊中，供應商都會基于某一個測試條件，給定IGBT的熱阻zui大值。而我們要獲取的是在不同工況下，或者我們的應用條件下IGBT的熱阻。通過熱瞬態(tài)測試界面法的分析可知，對于同一個IGBT，無論散熱條件怎么變化，在zui初的某一段時間里，IGBT的熱阻曲線都是重合的。在熱敏參數(shù)法中由工作狀態(tài)到測量狀態(tài)切換過程中會引起噪聲，導致測試結(jié)果不準確，如圖2所示。但是通過熱瞬態(tài)測試界面法的分析可知，在t0時刻的熱阻不隨外界環(huán)境變化而變化。因此可以直接從t0時刻以后開始做數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完成后，直接加上

t0時刻的熱阻即可。

3 基于熱敏參數(shù)Vce的IGBT模塊結(jié)溫工程測試方法

基于Vce的IGBT模塊結(jié)溫工程測試方法是參考IEC60747中IGBT的結(jié)溫測試方法，測試時選用的是英飛凌汽車級IGBT模塊HPDrive系列FS820R08A6P2B（見圖2）。

 

非常好步：確定小測量電流I C1 下V CE 與結(jié)溫的溫度系數(shù)α VCE將被測IGBT放置在加熱器上，分別加熱到T 1 和T 2 ，且達到熱平衡。在溫度T 1 ，對應測量小電流I C1 的電壓為V CE1 。在溫度T 2 ，對應的電壓為V CE2 。溫度系數(shù)α VCE 為：

 

 

基于FS820R08A6P2B IGBT模塊W相上管，對IGBT芯片和二極管芯片在小測量電流下VCE隨結(jié)溫的變化曲線。

 

第二步：測量IGBT的熱阻和結(jié)溫將被測IGBT固定在殼體上。測量IGBT殼溫為T c1 。當溫度T c1時，測量電流I C1 產(chǎn)生的電壓為V CE3 。接通開關(guān)S，大電流I C2 流通。當達到熱平衡時，殼溫T C ＝Tc2，且V CE ＝V CE4 。這時，切斷IC2 ，且緊接著測量對應I C1 的集電極－發(fā)射極電壓V CE5 。則在該瞬間有：

 

在切斷加熱大電流時，在起始階段不可避免的會受到電子干擾，因而使得開始時刻短時間內(nèi)測得的信號無效。從雙界面法的測試結(jié)果看，在很短的一段時間里，熱阻不受外界條件影響，所以我們在初始時刻的很短一段時間里（5ms）采用了英飛凌數(shù)據(jù)手冊中的熱阻測試結(jié)果（見圖5）。

4 熱成像法測試驗證

為了驗證上述基于熱敏參數(shù)Vce的IGBT模塊結(jié)溫工程測試方法的準確性，我們選擇用熱成像法在相同的外界條件下驗證測試結(jié)果的準確性。

 

熱成像法需要定制IGBT黑模塊，我們使用的是英飛凌的黑模塊，不需要再對IGBT模塊做處理。測試過程中，需要先通測試電流，并監(jiān)測Vce的電壓，然后直注入大電流，對IGBT芯片加熱，用熱成像儀實時檢測IGBT芯片的溫度，直到IGBT芯片的溫度穩(wěn)定（見圖6）。

 

從紅外熱成像儀的溫度分布云圖中可以捕捉IGBT芯片zui熱點的溫度，由Vce的電壓和加熱電流可以計算損耗，從而獲取IGBT的熱阻。

 

5 結(jié)論

通過基于熱敏參數(shù)的IGBT模塊結(jié)溫的工程測試方法和熱成像法的測試結(jié)果可知，兩種測試方法的熱阻差異非常小，結(jié)溫的偏差量在5℃以內(nèi)，可以滿足工程應用的需求（見圖7）。

 

在后期的項目中，可以根據(jù)使用條件，用基于熱敏參數(shù)的IGBT模塊結(jié)溫工程測試方法快速、準確、低廉的測試IGBT的熱阻及結(jié)溫，從而更有效更安全的使用IGBT器件。