一種在線測量IGBT模塊瞬態(tài)熱阻的方法和裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公布了一種在線測量IGBT模塊瞬態(tài)熱阻的方法和裝置，解決了IGBT模塊的瞬態(tài)熱阻表征方法缺失、測量精度低、無法在線測量的問題。該方法和裝置以IGBT芯片的門極-發(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計測試電路和系統(tǒng)，達到測試系統(tǒng)的小型化、高精度和高穩(wěn)定性。本發(fā)明專利技術(shù)裝置包括：K值校準(zhǔn)爐、靜止空氣測試箱、測試電路板、恒溫測試平臺、水冷散熱系統(tǒng)、可編程直流電源、電流表、示波器、計算機、LabVIEW數(shù)據(jù)采集及自動處理系統(tǒng)等。依據(jù)熱時間常數(shù)的準(zhǔn)確計算，通過改變脈沖通電時間，可在線快速測量IGBT模塊中任意層材料及界面的瞬態(tài)熱阻，測量誤差可控制在0.8％以內(nèi)，滿足對IGBT模塊產(chǎn)品瞬態(tài)熱阻的檢測需求。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種新的測量IGBT模塊中各層材料和材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的方法和裝置，具體地說，涉及以IGBT的門極-發(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)測量瞬態(tài)熱阻的方法及裝置，屬于電子封裝模塊關(guān)鍵性能測試領(lǐng)域創(chuàng)新型技術(shù)。
技術(shù)介紹
近年來，IGBT模塊趨于集成化和微型化，被越來越廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境中，功率密度和熱應(yīng)力不斷增大，其峰值熱通量甚至高達300W/cm2，嚴(yán)重影響了IGBT模塊的熱性能。在IGBT模塊中，連接層是影響其使用性能、可靠性及工作壽命的最重要的部分。因此，能夠準(zhǔn)確測量IGBT模塊尤其是連接層的溫升和熱阻，對于研究模塊失效機理和壽命預(yù)測具有重要意義。傳統(tǒng)測量的穩(wěn)態(tài)熱阻，包括整個模塊中所有材料和界面對熱阻的貢獻，難以測量每層材料和界面在模塊中的熱阻。瞬態(tài)熱阻根據(jù)熱擴散原理，基于熱時間常數(shù)來控制熱量的傳導(dǎo)，可以得到任意層材料和界面在結(jié)構(gòu)中的熱阻。目前，測量瞬態(tài)熱阻的主要方法有：熱傳感器法、紅外熱探測法和電學(xué)法。熱傳感器法和紅外熱探測法都必須破壞封裝結(jié)構(gòu)，響應(yīng)時間長，操作技術(shù)復(fù)雜，不能滿足IGBT結(jié)溫和瞬態(tài)熱阻在線精確快速測量的要求。現(xiàn)有的電學(xué)法以PN結(jié)正向壓降作為熱敏參數(shù)，其壓降與結(jié)溫的K系數(shù)約為2mV/℃，靈敏度較低，測量出的結(jié)溫和瞬態(tài)熱阻值誤差較大。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)主要解決測量IGBT模塊中各層材料和材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的問題，提供了一種在線測量，方便快捷，操作簡單，精確度高的方法和裝置。IGBT模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本專利技術(shù)采用以IGBT的門極-發(fā)射極電壓VGE作為熱敏參數(shù)的電學(xué)法，設(shè)計制造了瞬態(tài)熱阻測量系統(tǒng)，測量得出的VGE與TJ的K系數(shù)約為10mV/℃，具有較高的精度，根據(jù)熱時間常數(shù)τ，控制脈沖通電時間tH＝τ，tH可精確至微秒級，實現(xiàn)在線測量封裝結(jié)構(gòu)中的各層材料和材料連接界面的瞬態(tài)熱阻，方便快捷，精確度高，穩(wěn)定性好，對于模塊失效分析和性能評估具有重要的應(yīng)用價值。本專利技術(shù)方法通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。一種在線測量IGBT模塊中各層材料及材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的裝置，首先，將被測IGBT模塊置于K值校準(zhǔn)爐內(nèi)，IGBT模塊與測試電路板連接，測試電路板輸入端與可編程直流電源連接，輸出端與示波器連接，示波器輸出端與計算機連接，在計算機上計算得到K系數(shù)值；然后，將被測IGBT模塊與測試電路板連接，置于恒溫測試平臺上，恒溫測試平臺與水冷散熱系統(tǒng)連接，恒溫測試平臺和測試電路板置于靜止空氣箱內(nèi)，測試電路板輸入端與可編程直流電源連接，輸出端與示波器連接，示波器輸出端通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機連接，在計算機上計算得到瞬態(tài)熱阻值。所述K值校準(zhǔn)爐，用來校準(zhǔn)門極-發(fā)射極電壓VGE與結(jié)溫TJ的K系數(shù)值，使用的校準(zhǔn)溫度范圍為20～125℃，校準(zhǔn)溫度間隔為5℃，在校準(zhǔn)溫度下的保溫時間為10min；所述測試電路板：測試電路板中的電路包括IGBT模塊的驅(qū)動電路、緩沖電路和測試電路；在驅(qū)動電路中，控制脈沖信號由單片機輸出，由MOSFET開關(guān)調(diào)節(jié)電流感應(yīng)電路，使IGBT處于加熱階段或冷卻測試階段，MOSFET開關(guān)由TPS2816高速驅(qū)動器控制；在測試電路中，利用PI反饋控制保證加熱脈沖功率穩(wěn)定，利用RC濾波耦合降低噪聲干擾；緩沖電路將IGBT的VGE輸出端子與示波器的測量端子隔離開，避免了示波器指針的干擾，提高了測試精度。所述恒溫測試平臺，其溫度范圍為0～100℃，恒溫測試平臺由6021鋁合金板內(nèi)嵌銅管制成，銅管與水冷散熱系統(tǒng)連接，水冷散熱系統(tǒng)由循環(huán)泵和流動水箱組成，循環(huán)泵靜態(tài)揚程6m，靜態(tài)流量50L/min。所述鋁合金板尺寸為30cm×25cm×2cm，銅管直徑為2cm.所述靜止空氣測試箱，是完全密封的有機玻璃箱，將IGBT模塊，測試電路板及恒溫測試平臺放置在靜止空氣測試箱內(nèi)，避免空氣流動引起的噪聲干擾。所述可編程直流電源，用來給IGBT模塊提供加熱電壓VH，其輸出功率達160W，瞬態(tài)響應(yīng)時間小于50uS；電流表用來監(jiān)測加熱電流IH，其測量速度達10Krdgs/s，準(zhǔn)確測量出IGBT模塊開關(guān)瞬間的電流變化。所述示波器，在線監(jiān)測經(jīng)緩沖電路輸出的VGE波形，示波器具有較大的模擬帶寬、采樣率和記錄長度；VGE波形由示波器經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C，利用LabVIEW對VGE數(shù)據(jù)進行處理，得到瞬態(tài)熱阻值。本專利技術(shù)在線測量IGBT模塊中各層材料及材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的方法，步驟如下：1).將IGBT模塊的門極，發(fā)射極和集電極端子與電路板連接，用導(dǎo)熱膠將被測模塊接觸放置在恒溫測試平臺上，設(shè)置平臺溫度為T1；2).保持與測量K系數(shù)時相同的IM，通過可編程直流電源設(shè)定脈沖功率PH對IGBT加熱，其中脈沖功率PH等于脈沖電壓VH和脈沖電流IH(IH>1000IM)的乘積，通過計算機設(shè)定脈沖通電時間tH和占空比D，在示波器上對IGBT輸出的VGE波形進行在線監(jiān)測，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加熱脈沖前、后的門極-發(fā)射極電壓VGE_i和VGE_f，得到熱敏參數(shù)差值ΔVGE＝VGE_i-VGE_f；3).執(zhí)行測量程序，測得IM、IH、VH、tH及D下的溫升為：ΔTJ＝ΔVGE/K；測得瞬態(tài)熱阻為：Zth(tH)=ΔTJPH=VGE_i-VGE_f(tH)K×PH---(1);]]>4).基于一維熱傳導(dǎo)原理，計算出連接層的熱時間常數(shù)τ＝ρd2Cp/λ，其中，ρ、d、Cp和λ分別為材料的密度、厚度、比熱容和熱導(dǎo)率，使脈沖通電時間tH＝τ，即可得到模塊中連接層材料的瞬態(tài)熱阻，計算出各層材料和界面的熱時間常數(shù)τ，改變tH，即可得到模塊中各層材料和界面的瞬態(tài)熱阻曲線。所述的被測模塊K系數(shù)值的方法：I.將IGBT模塊放置在K值校準(zhǔn)爐內(nèi)，設(shè)置校準(zhǔn)爐的溫度，從20℃升溫至125℃，升溫間隔為5℃，每個溫度保溫10min，保證IGBT模塊的結(jié)溫TJ與爐溫相同；II.設(shè)置測試電流IM，IM取值范圍為2～4mA，采集IGBT模塊在不同IM下的VGE波形，得到VGE與結(jié)溫TJ的關(guān)系曲線；III.對溫度TJ及電壓VGE進行最小二乘法計算，得到K系數(shù)值：K＝ΔVGE/ΔTJ。附圖說明圖1：IGBT模塊放置示意圖；圖2：測試電路板實物圖；圖3：測試電路板中驅(qū)動和測試電路圖；圖4：測試電路板中的緩沖電路圖；圖5：靜止空氣測試箱和恒溫測試平臺示意圖；圖6：瞬態(tài)熱阻測量系統(tǒng)示意圖；圖7：瞬態(tài)熱阻測試過程中的參數(shù)示意圖；圖8：測量得到的VGE與TJ的K系數(shù)曲線圖；圖9：測量的IGBT模塊中任意層的瞬態(tài)熱阻本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種在線測量IGBT模塊中各層材料及材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的裝置，其特征是：首先，將被測IGBT模塊置于K值校準(zhǔn)爐內(nèi)，IGBT模塊與測試電路板連接，測試電路板輸入端與可編程直流電源連接，輸出端與示波器連接，示波器輸出端與計算機連接，在計算機上計算得到K系數(shù)值；然后，將被測IGBT模塊與測試電路板連接，置于恒溫測試平臺上，恒溫測試平臺與水冷散熱系統(tǒng)連接，恒溫測試平臺和測試電路板置于靜止空氣箱內(nèi)，測試電路板輸入端與可編程直流電源連接，輸出端與示波器連接，示波器輸出端通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機連接，在計算機上計算得到瞬態(tài)熱阻值。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種在線測量IGBT模塊中各層材料及材料連接界面的瞬態(tài)熱阻的裝置，其特征是：首先，將被測IGBT模塊置于K值校準(zhǔn)爐內(nèi)，IGBT模塊與測試電路板連接，測試電路板輸入端與可編程直流電源連接，輸出端與示波器連接，示波器輸出端與計算機連接，在計算機上計算得到K系數(shù)值；然后，將被測IGBT模塊與測試電路板連接，置于恒溫測試平臺上，恒溫測試平臺與水冷散熱系統(tǒng)連接，恒溫測試平臺和測試電路板置于靜止空氣箱內(nèi)，測試電路板輸入端與可編程直流電源連接，輸出端與示波器連接，示波器輸出端通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機連接，在計算機上計算得到瞬態(tài)熱阻值。?
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述K值校準(zhǔn)爐，用來校準(zhǔn)門極-發(fā)射極電壓VGE與結(jié)溫TJ的K系數(shù)值，使用的校準(zhǔn)溫度范圍為20～125℃，校準(zhǔn)溫度間隔為5℃，在校準(zhǔn)溫度下的保溫時間為10min。?
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述測試電路板：測試電路板中的電路包括IGBT模塊的驅(qū)動電路、緩沖電路和測試電路；在驅(qū)動電路中，控制脈沖信號由單片機輸出，由MOSFET開關(guān)調(diào)節(jié)電流感應(yīng)電路，使IGBT處于加熱階段或冷卻測試階段，MOSFET開關(guān)由TPS2816高速驅(qū)動器控制；在測試電路中，利用PI反饋控制保證加熱脈沖功率穩(wěn)定，利用RC濾波耦合降低噪聲干擾；緩沖電路將IGBT的VGE輸出端子與示波器的測量端子隔離開，避免了示波器指針的干擾，提高了測試精度。?
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述恒溫測試平臺，其溫度范圍為0～100℃，恒溫測試平臺由6021鋁合金板內(nèi)嵌銅管制成，銅管與水冷散熱系統(tǒng)連接，水冷散熱系統(tǒng)由循環(huán)泵和流動水箱組成，循環(huán)泵靜態(tài)揚程6m，靜態(tài)流量50L/min。?
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是所述鋁合金板尺寸為30cm×25cm×2cm，銅管直徑為2cm。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述靜止空氣測試箱，是完全密封的有機玻璃箱，將IGBT模塊，測試電路板及恒溫測試平臺放置在靜止空氣測試箱內(nèi)，避免空氣流動引起的噪聲干擾。?
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述可編程直流電源，用來給IGBT模塊提供加熱電壓VH，其輸出功率達160W，瞬態(tài)響應(yīng)時...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梅云輝，王美玉，陸國權(quán)，李欣，王磊，
申請(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：天津;12