一种在线测量IGBT模块瞬态热阻的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公布了一种在线测量IGBT模块瞬态热阻的方法和装置，解决了IGBT模块的瞬态热阻表征方法缺失、测量精度低、无法在线测量的问题。该方法和装置以IGBT芯片的门极-发射极电压作为热敏参数，通过优化设计测试电路和系统，达到测试系统的小型化、高精度和高稳定性。本发明专利技术装置包括：K值校准炉、静止空气测试箱、测试电路板、恒温测试平台、水冷散热系统、可编程直流电源、电流表、示波器、计算机、LabVIEW数据采集及自动处理系统等。依据热时间常数的准确计算，通过改变脉冲通电时间，可在线快速测量IGBT模块中任意层材料及界面的瞬态热阻，测量误差可控制在0.8％以内，满足对IGBT模块产品瞬态热阻的检测需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新的测量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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术主要解决测量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。本专利技术采用以IGBT的门极-发射极电压VGE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VGE与TJ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tH＝τ，tH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。本专利技术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VGE与结温TJ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VGE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VH，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IH，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。所述示波器，在线监测经缓冲电路输出的VGE波形，示波器具有较大的模拟带宽、采样率和记录长度；VGE波形由示波器经数据采集系统传输到计算机，利用LabVIEW对VGE数据进行处理，得到瞬态热阻值。本专利技术在线测量IGBT模块中各层材料及材料连接界面的瞬态热阻的方法，步骤如下：1).将IGBT模块的门极，发射极和集电极端子与电路板连接，用导热胶将被测模块接触放置在恒温测试平台上，设置平台温度为T1；2).保持与测量K系数时相同的IM，通过可编程直流电源设定脉冲功率PH对IGBT加热，其中脉冲功率PH等于脉冲电压VH和脉冲电流IH(IH>1000IM)的乘积，通过计算机设定脉冲通电时间tH和占空比D，在示波器上对IGBT输出的VGE波形进行在线监测，并经数据采集系统采集加热脉冲前、后的门极-发射极电压VGE_i和VGE_f，得到热敏参数差值ΔVGE＝VGE_i-VGE_f；3).执行测量程序，测得IM、IH、VH、tH及D下的温升为：ΔTJ＝ΔVGE/K；测得瞬态热阻为：Zth(tH)=ΔTJPH=VGE_i-VGE_f(tH)K×PH---(1);]]>4).基于一维热传导原理，计算出连接层的热时间常数τ＝ρd2Cp/λ，其中，ρ、d、Cp和λ分别为材料的密度、厚度、比热容和热导率，使脉冲通电时间tH＝τ，即可得到模块中连接层材料的瞬态热阻，计算出各层材料和界面的热时间常数τ，改变tH，即可得到模块中各层材料和界面的瞬态热阻曲线。所述的被测模块K系数值的方法：I.将IGBT模块放置在K值校准炉内，设置校准炉的温度，从20℃升温至125℃，升温间隔为5℃，每个温度保温10min，保证IGBT模块的结温TJ与炉温相同；II.设置测试电流IM，IM取值范围为2～4mA，采集IGBT模块在不同IM下的VGE波形，得到VGE与结温TJ的关系曲线；III.对温度TJ及电压VGE进行最小二乘法计算，得到K系数值：K＝ΔVGE/ΔTJ。附图说明图1：IGBT模块放置示意图；图2：测试电路板实物图；图3：测试电路板中驱动和测试电路图；图4：测试电路板中的缓冲电路图；图5：静止空气测试箱和恒温测试平台示意图；图6：瞬态热阻测量系统示意图；图7：瞬态热阻测试过程中的参数示意图；图8：测量得到的VGE与TJ的K系数曲线图；图9：测量的IGBT模块中任意层的瞬态热阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征是：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。

【技术特征摘要】
1.一种在线测量IGBT模块中各层材料及材料连接界面的瞬态热阻的装置，其特征是：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。 
2.如权利要求1所述的装置，其特征是所述K值校准炉，用来校准门极-发射极电压VGE与结温TJ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。 
3.如权利要求1所述的装置，其特征是所述测试电路板：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VGE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。 
4.如权利要求1所述的装置，其特征是所述恒温测试平台，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。 
5.如权利要求4所述的装置，其特征是所述铝合金板尺寸为30cm×25cm×2cm，铜管直径为2cm。
6.如权利要求1所述的装置，其特征是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。 
7.如权利要求1所述的装置，其特征是所述可编程直流电源，用来给IGBT模块提供加热电压VH，其输出功率达160W，瞬态响应时...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅云辉，王美玉，陆国权，李欣，王磊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12