1 常用的結溫測試方法

因為IGBT芯片在模塊內部，難以直接測量，也不易直接接觸，國內外關于IGBT芯片的結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。現有的IGBT模塊內部芯片的結溫檢測技術可大致分為如下三種方法：熱敏參數法、熱成像法和熱電偶法。

 

1.1 熱敏參數法

因為半導體器件內部物理參數與溫度有著一一對應的關系，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單調變化的趨勢，熱敏參數法就是利用了半導體器件電氣參數隨溫度變化而變化的特性。在不同的工況下，IGBT芯片的結溫會發生變化，使得對應的電氣參數也發生變化。熱敏參數法就是通過測量IGBT的電氣參數，從而逆向評估IGBT芯片的結溫。熱敏參數法測試IGBT結溫時，一般有兩個狀態：工作狀態和測量狀態。測試過程中，將IGBT從工作狀態向測量狀態切換時，需要快速的切斷大電流；轉而將測試小電流加到器件上，從而獲取此時的結電壓來確定相應的結溫。但是測試設備在切換的過程中會因為轉換延遲而導致zui初的一段時間的測試數據不準確。如果我們不做任何處理直接使用測試數據，必然會導致zui終的結溫偏差較大。

 

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，從而提高溫度測試的準確度。熱成像法的優點是zui高結溫和熱阻非常準確，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，也會導致測量結果與真實結溫偏差較大。相比之下，熱敏參數法無需破壞器件結構且無需附加設備，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到測量狀態轉換階段的暫態噪聲問題。

 

2 英飛凌IGBT的熱阻測試方法

英飛凌測試IGBT熱阻使用的測試設備是熱瞬態測試儀T3Ster。T3Ster主要用于測試電子器件的熱特性。國際固態技術協會JEDEC在標準JESD51-1中定義了靜態測試法與動態測試法。核心思想是通過改變半導體器件的輸入功率，使器件產生溫度變化，T3Ster能夠實時采集器件瞬態溫度響應曲線，從而得到電子器件的熱特性。

熱瞬態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生在器件封裝殼之外，因此結構函數上兩次測量的分界處就代表了外界環境的變化對器件熱阻的影響。從右邊的測試結果看出，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。在熱敏參數法中由工作狀態到測量狀態切換過程中會引起噪聲，導致測試結果不準確，如圖2所示。但是通過熱瞬態測試界面法的分析可知，在t0時刻的熱阻不隨外界環境變化而變化。因此可以直接從t0時刻以后開始做數據處理，數據處理完成后，直接加上

t0時刻的熱阻即可。

3 基于熱敏參數Vce的IGBT模塊結溫工程測試方法

基于Vce的IGBT模塊結溫工程測試方法是參考IEC60747中IGBT的結溫測試方法，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 與結溫的溫度系數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隨結溫的變化曲線。

 

第二步：測量IGBT的熱阻和結溫將被測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 產生的電壓為V CE3 。接通開關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測得的信號無效。從雙界面法的測試結果看，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）采用了英飛凌數據手冊中的熱阻測試結果（見圖5）。

4 熱成像法測試驗證

為了驗證上述基于熱敏參數Vce的IGBT模塊結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 結論

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

 

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