[发明专利]一种在线测量IGBT模块瞬态热阻的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种新的测量IGBT模块中各层材料和材料连接界面的瞬态热阻的方法和装置，具体地说，涉及以IGBT的门极-发射极电压作为热敏参数测量瞬态热阻的方法及装置，属于电子封装模块关键性能测试领域创新型技术。

背景技术

近年来，IGBT模块趋于集成化和微型化，被越来越广泛应用于高温环境中，功率密度和热应力不断增大，其峰值热通量甚至高达300W/cm²，严重影响了IGBT模块的热性能。在IGBT模块中，连接层是影响其使用性能、可靠性及工作寿命的最重要的部分。因此，能够准确测量IGBT模块尤其是连接层的温升和热阻，对于研究模块失效机理和寿命预测具有重要意义。传统测量的稳态热阻，包括整个模块中所有材料和界面对热阻的贡献，难以测量每层材料和界面在模块中的热阻。瞬态热阻根据热扩散原理，基于热时间常数来控制热量的传导，可以得到任意层材料和界面在结构中的热阻。目前，测量瞬态热阻的主要方法有：热传感器法、红外热探测法和电学法。热传感器法和红外热探测法都必须破坏封装结构，响应时间长，操作技术复杂，不能满足IGBT结温和瞬态热阻在线精确快速测量的要求。现有的电学法以PN结正向压降作为热敏参数，其压降与结温的K系数约为2mV/℃，灵敏度较低，测量出的结温和瞬态热阻值误差较大。

发明内容

本发明主要解决测量IGBT模块中各层材料和材料连接界面的瞬态热阻的问题，提供了一种在线测量，方便快捷，操作简单，精确度高的方法和装置。IGBT模块结构示意图如图1所示。本发明采用以IGBT的门极-发射极电压V_GE作为热敏参数的电学法，设计制造了瞬态热阻测量系统，测量得出的V_GE与T_J的K系数约为10mV/℃，具有较高的精度，根据热时间常数τ，控制脉冲通电时间t_H＝τ，t_H可精确至微秒级，实现在线测量封装结构中的各层材料和材料连接界面的瞬态热阻，方便快捷，精确度高，稳定性好，对于模块失效分析和性能评估具有重要的应用价值。

本发明方法通过以下技术方案实现。

一种在线测量IGBT模块中各层材料及材料连接界面的瞬态热阻的装置，首先，将被测IGBT模块置于K值校准炉内，IGBT模块与测试电路板连接，测试电路板输入端与可编程直流电源连接，输出端与示波器连接，示波器输出端与计算机连接，在计算机上计算得到K系数值；然后，将被测IGBT模块与测试电路板连接，置于恒温测试平台上，恒温测试平台与水冷散热系统连接，恒温测试平台和测试电路板置于静止空气箱内，测试电路板输入端与可编程直流电源连接，输出端与示波器连接，示波器输出端通过数据采集系统与计算机连接，在计算机上计算得到瞬态热阻值。

所述K值校准炉，用来校准门极-发射极电压V_GE与结温T_J的K系数值，使用的校准温度范围为20～125℃，校准温度间隔为5℃，在校准温度下的保温时间为10min；

所述测试电路板：测试电路板中的电路包括IGBT模块的驱动电路、缓冲电路和测试电路；在驱动电路中，控制脉冲信号由单片机输出，由MOSFET开关调节电流感应电路，使IGBT处于加热阶段或冷却测试阶段，MOSFET开关由TPS2816高速驱动器控制；在测试电路中，利用PI反馈控制保证加热脉冲功率稳定，利用RC滤波耦合降低噪声干扰；缓冲电路将IGBT的V_GE输出端子与示波器的测量端子隔离开，避免了示波器指针的干扰，提高了测试精度。

所述恒温测试平台，其温度范围为0～100℃，恒温测试平台由6021铝合金板内嵌铜管制成，铜管与水冷散热系统连接，水冷散热系统由循环泵和流动水箱组成，循环泵静态扬程6m，静态流量50L/min。

所述铝合金板尺寸为30cm×25cm×2cm，铜管直径为2cm.

所述静止空气测试箱，是完全密封的有机玻璃箱，将IGBT模块，测试电路板及恒温测试平台放置在静止空气测试箱内，避免空气流动引起的噪声干扰。

所述可编程直流电源，用来给IGBT模块提供加热电压V_H，其输出功率达160W，瞬态响应时间小于50uS；电流表用来监测加热电流I_H，其测量速度达10Krdgs/s，准确测量出IGBT模块开关瞬间的电流变化。