CN105911447A - 一种功率半导体器件内部接触热阻测量方法及测量夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率半导体器件内部接触热阻测量方法及测量夹具，包括：绘制器件电学参数与结温的关系曲线；绘制器件壳表面与散热器间涂有液态金属时的瞬态热阻抗曲线；对瞬态热阻抗曲线进行数值运算得到器件的积分结构函数和微分结构函数；对照积分结构函数和微分结构函数，求取接触热阻值。测试夹具由三块水平方向基板和两根竖直方向立柱组成；在上基板和中基板间纵向对称设有绝缘板和散热基板；在中基板和下基板间依次安装有压力均布装置、传感器、压力维持板和压力施加装置；本发明提供的测量方法消除了因热电偶带来的测量误差，测量结果真实可靠，测量方法简便高效。

Description

一种功率半导体器件内部接触热阻测量方法及测量夹具

技术领域

本发明涉及电力半导体器件热阻测量领域，具体讲涉及一种功率半导体器件内部接触热阻测量方法及其测试夹具。

背景技术

诸如晶体管、IGBT、IGCT、GTO等一类压接型功率半导体器件，由于具有功率密度大、双面散热、易于串联以及可靠性高等优点，现己逐步应用于电力系统的高压直流输电(HVDC)、电力机车等高电压、大功率应用场合。

衡量半导体器件散热性能重要标准的热阻是半导体器件最重要的一种参数，器件的热阻值反映了半导体器件功率密度的提升和结构的紧凑化。对于半导体器件生产厂商而言，热阻值的准确测量对优化封装结构减小器件热阻，以及指导用户充分利用器件的各方面特性具有非常重要的意义。高压大功率器件封装形式的压接型IGBT器件内部由多个组件直接接触，组件间存在的接触热阻极大地影响了器件的散热性能，因此准确测量压接型IGBT器件内部各个组件间的接触热阻对于优化器件内部，减小器件热阻具有非常重要的意义。

目前还没有针对压接型IGBT器件内部接触热阻进行测量的相关文献和技术，且现有技术中所有的接触热阻测量技术都是针对半导体器件外部与接触材料间接触热阻的测量以及两个接触材料间接触热阻的测量等。常规接触热阻的测量方法有稳态法和瞬态法，典型的稳态法中对接触面的温差数据采用线性外推，可以获得接触热阻，但是温差线性外推法只有在接触面温差较大时数据才是可靠的，而且准确地测量半导体器件和接触材料间的接触面温差是非常困难的。瞬态法中应用最广泛的光热法，通过测量遇到界面后的热波(形变波)与调制波的相位差(波幅值的衰减)获得接触热阻，但在测量过程中接触界面导致热波在接触处发生的漫射会破坏其相位关系，使测量结果产生偏差。

压接型IGBT器件内部组件数量多，且每个组件的面积大、厚度薄，传统的热电偶法测量界面间的温差是不可行的：一方面是因为组件厚度非常薄，热电偶无法安置；另一方面组件的面积比较大，难以保证测量的温度是最大温度，最重要的是界面间的接触热阻不仅与压力有关，还与温度、表面粗糙度等也有关系，且通过同种材料等效测量很难满足粗糙度和实际工况的要求，测量结果有很大的误差。瞬态法对于压接型IGBT器 件内部组件接触热阻的测量精度也会产生误差，因为器件内部组件间接触界面通过的大电流会对形变波产生冲击。

鉴于目前接触热阻测量方法的局限性，本发明提供了一种压接型功率半导体器件内部接触热阻测量方法和测试夹具，测量精度大大提高。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，精确测量半导体器件内部的接触热阻，本发明提供一种压接型功率半导体器件内部接触热阻测量方法。

本发明提供的接触热阻测量方法，其改进之处在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：绘制器件电学参数与结温的关系曲线；

步骤S2：绘制器件壳表面与散热基板间涂敷有液态金属时的瞬态热阻抗曲线；

步骤S3：绘制器件的积分结构函数和微分结构函数的图像；

步骤S4：确定接触热阻值。

本发明提供的第一优选技术方案，所述步骤S1中，包括：

(1)将用测量夹具固定的试件放入恒温箱中；

(2)给试件输入感应电流I_sense，使器件产生结压降V_ce；

(3)升高恒温箱温度到指定温度，采集自然降温过程中的结压降信息，绘制结温T_j与结压降V_ce的变化关系曲线。

本发明提供的第二优选技术方案，所述步骤S2中，包括：

(1)用两个散热基板夹持试件，在器件壳与所述夹持的散热基板间涂敷液态金属，并对试件施加工作压力F；

(2)给试件通入加热功率为P的加热电流I_drive直至内部结温达到热平衡后，切换到感应电流I_sense；

(3)测量结压降V_ce，由步骤S1得到的结温T_j与结压降V_ce的变化关系，得结温Tj；

(4)按下式(1)绘制器件的瞬态热阻抗曲线Zth-jc：

$Z_{th-jc}=\frac{T_j\left(t\right)-T_c}{P}---\left(1\right)$

其中，T_j(t)：各个时刻的结温；T_c：t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

本发明提供的第三优选技术方案，所述步骤S3中，绘制图像的过程包括：

(1)对瞬态热阻抗曲线进行数值求导得导数关系曲线

(2)对导数关系曲线进行数值反卷积计算得器件的时间常数谱R(z)；

(3)将试件的时间常数谱离散化得到阻容网络Foster模型，同时转换为Cauer热网络模型；

(4)根据Cauer热网络模型得到结构函数。

本发明提供的第四优选技术方案，所述步骤S3的步骤(1)中，中间变量a(z)如下式(2)所示：

a(z)＝Z_th-jc(t＝exp(z)) (2)

其中，z＝ln(t)，a(z)＝Z_th-jc(t)，；Z_th-jc(t)：试件的瞬态热阻抗曲线。

本发明提供的第五优选技术方案，所述步骤S3的步骤(2)中，所述器件的时间常数谱R(z)如下式(3)所示：

$R\left(z\right)=\[\frac{d}{dz}a\left(z\right)\]{\⊗}^{-1}{w}_z\left(z\right)---\left(3\right)$

其中，w_z(z)＝exp[z-exp(z)]，w_z(z)为中间变量；反卷积计算的运算符号。

本发明提供的第六优选技术方案，所述步骤S3的步骤(3)中，离散化得到的阻容网络模型Foster模型由下式(4)所示的转换关系得到如下Cauer热网络模型：

$Z\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1+\frac{1}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2+\frac{1}{R_2+...+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_n+\frac{1}{R_n}}}}}}---\left(4\right)$

其中：s为拉普拉斯算子；C₁、C₂、…C_n分别代表每层材料的热容；R₁、R₂、…R_n分别代表每层材料的热阻。

本发明提供的第七优选技术方案，所述步骤S3的步骤(4)中，由所述Cauer热网络模型得到下式(5)所示的积分结构函数C(R)表示的热阻与热容的关系式：

C(R)＝c·ρ·k·A²·R (5)

其中，R为器件的热阻[K/W]；A为材料的横截面积[m²]；k为材料的热导率[W/(m*K)]；c为材料的比热容[J/(kg*K)]，ρ为材料密度[kg/m³]；

将热容对热阻进行微分，得到下式(6)所示的试件微分结构函数表示式ρ(R)：

$\mathrm{\ρ}\left(R\right)=\frac{dC\left(R\right)}{dR}=c\·\mathrm{\ρ}\·k\·A^2---\left(6\right)$

其中，R为器件的热阻[K/W]；A为材料的横截面积[m²]；k为材料的热导率[W/(m*K)]；c为材料的比热容[J/(kg*K)]，ρ为材料密度[kg/m³]。

本发明提供的第八优选技术方案，所述步骤S4中，结合积分结构函数和微分结构函数的图像求取接触热阻值。

本发明提供的一种半功率器件内部接触热阻测量方法所用的测量夹具，所述测量夹具由水平方向基板和竖直方向立柱连接而成；

所述基板包括上基本、中基板和下基板；所述上基板和所述中基板间两端的水平方向分别设有绝缘板和散热基板；

所述中基板和下基板间依次安装有压力均布装置、传感器、压力维持板和压力施加装置；

所述压力均布装置依次包括半球面和安装有碟簧的导柱；

所述压力施加装置依次包括顶杆和安装有显示仪表的基座；

所述立柱穿过所述上基板和所述下基板；分别在所述上基板和所述下基板两侧设置螺母，以固定所述上基板和下基板；

所述压力维持板下侧设置螺母，以固定所述压力维持板；

所述散热基板左右两侧分别设置冷却系统接口和直流母排接口。

与最接近的现有技术比，本发明具有以下优异效果：

1、本发明提供的的技术方案使用测量夹具将半导体器件放置在夹具的散热基板间，可方便的测量参数、绘制瞬态热阻抗曲线，进而推导出压接型IGBT器件内部各组件间接触热阻值。

2、本发明提供的技术方案通过测量夹具测量接触界面温度，消除了因热电偶带来的所有测量误差，也完全避免了热电偶测量过程中热电偶无法放置的问题。

3、本发明提供的技术方案直接借用压接型IGBT器件热阻测量夹具即可满足器件内部接触热阻的测量，不需要额外制作接触热阻测试夹具，提高测量效率。

4、本发明提供的技术方案可以同时测量器件内部多层接触界面的接触热阻值，通过调节外部施加的压力，还可以方便的测量不同压力条件下接触界面间的接触热阻；

5、本发明提供的技术方案真实可靠地测量了器件工作时器件内部组件间的接触热阻值，测试过程对器件没有损坏。

附图说明

图1为现有技术中高压大功率器件封装示意图；

图2为本发明提供的半导体器件内部接触热阻测量夹具示意图；

图3为本发明提供的技术方案的瞬态热阻抗曲线测量电路图；

图4为本发明提供的技术方案的瞬态热阻抗曲线测量时序图；

图5为本发明提供的技术方案的Cauer热网络模型变换过程示意图；

图6为本发明提供的技术方案中积分结构函数的曲线图；

图7为本发明提供的技术方案中确定接触热阻值的曲线图。

其中，11-上基板、12-中基板、13-下基板、21-立柱、22-螺母、3-压力维持板、4-压力施加装置、41-基座、42-顶杆、43-显示仪表、5-压力均布装置、51-导柱、52-碟簧、53-半球面、61-冷却系统接口、62-直流母排接口、63-散热基板、631-上散热基板、632-下散热基板、7-绝缘板、8-传感器、91-器件壳上表面、92-器件壳下表面。

具体实施方式

为更详细的说明本发明提供的技术方案中的测量方案，下面将结合说明书附图和具体实施方案对其做进一步的说明。

现有的IGBT压接器件的结构示意图如图1所示，依次包括集电极、集电极侧钼片、硅芯片、发射极侧钼片、垫片、基座和发射极，包含的内部组件数量多，且面积相对较大且各器件的厚度薄，为mm级，为保证对IGBT压接器件内部接触热阻的精确测量，又不会损害器件的完整性和优良性能，本发明测量内部接触热阻使用一种测量夹具，确保器件的均由受力，且测量数据精确度高。

本发明提供的测量方法使用的测量夹具包括所述测量夹具如图2所示，由三块基板和两根立柱21组成；

在上基板11和中基板12间对称设有绝缘板7和散热基板63组成的安装试件的空间；散热基板63包括上散热基板631和下散热基板632；散热基板上设置有冷却系统接口614和直流母排接口62的正极和负极。

在中基板12和下基板13间依次安装有压力均布装置5、传感器8、压力维持板3和压力施加装置4；

所述压力均布装置5依次包括半球面53和安装有碟簧52的导柱51；

所述压力施加装置4依次包括顶杆42和安装有显示仪表43的基座41；

压力均布装置设置在压力维持板3的上方中间位置，压力施加装置4对应于压力均布装置5的导柱中心设置于压力维持板3下方；

上基板、下基板和立柱连接位置的上下方均设置有螺母22，压力维持板的下方设置有螺母22。

通过调节螺母的高度调节施加给试件的工作压力F，显示仪表精确显示工作压力F，施加给压力维持板的压力将压力分散施加给压力均布装置5，确保试验过程中施加承受的压力不会随时间改变。

本发明提供一种压接型功率半导体器件内部接触热阻测量方法，所述的测量方法主要包括：

1、测量器件电学参数与结温的关系曲线，间接得到器件的结温。

(1)将被测压接型功率半导体器件(以下简称被测器件)与相应的测量夹具系统一并放入一个恒温箱中，给被测器件输入一个很小的感应电流I_sense，使得器件产生一定的结压降V_ce，感应电流的大小需要满足既能使器件产生一定的结压降，又不会使器件发生明显的发热。

(2)将恒温箱温度升高到指定温度，开始自然降温，降温的过程中每降5度采集一次电学参数值结压降V_ce，得到被测器件结温T_j与电学参数的变化关系，对于硅基半导体器件，由于材料特性以及器件的属性使得器件的结温与结压降近似为线性关系；

(3)在热阻测试过程中只需要测量电学参数结压降V_ce即可转换得到器件每个时刻的结温T_j。

2、测量器件壳表面与散热器间直接接触时的瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)。

(1)通过如图2所示的压接型半导体器件测量夹具，将被测器件夹在两个散热基板之间，器件壳上表面91与上散热基板631之间涂一层高导电和高导热的合金液态金属以降低接触界面间的接触热阻。测量单面散热热阻时，在器件壳下表面92与下散热基板632间添加一个绝热层，利用测量夹具给被器件施加相应的工作压力F；

(2)如图3的测量电路所示，给被测器件通入加热功率为P的加热电流I_drive使器件发热，当器件内部结温T_j达到热平衡后，将外部加热电流I_drive切换到感应电流I_sense，如图4的测量时序图所示，由于感应电流很小，器件几乎不会产生热量，所以器件内部结温开始下降，此时测量器件两端各个时刻的结压降V_ce，再通过步骤1的电学参数结压降与结温的关系即可得到器件各个时刻的结温T_j；当t＝0时刻没有加热电流I_drive，所以认为器件的结温T_j就是器件的壳温T_c，则可通过下述公式(1)得到器件的瞬态热阻抗曲线Z_th。

$Z_{th}=\frac{T_j\left(t\right)-T_j(t=0)}{P}---\left(1\right)$

其中T_j(t):结温；P：加热功率；T_j(t＝0)：t＝0时刻没有加热电流Idrive的结温T_j(t)即为壳温T_c。

3、对瞬态热阻抗曲线进行数值运算得到器件的积分结构函数和微分结构函数。

(1)对步骤2中得到的瞬态热阻抗曲线进行变量代换，再进行数值求导，得到瞬态热阻抗曲线的导数关系曲线da(z)/dz：

令z＝ln(t)，a(z)＝Z_th-jc(t)，则所述a(z)如下式(2)所示：

a(z)＝Z_th-jc(t＝exp(z)) (2)

其中，a(z)为中间变量；Z_th-jc(t)代表器件瞬态热阻抗。

(2)对瞬态热阻抗曲线的导数关系曲线da(z)/dz进行如公式(3)所示的数值反卷积计算，得到器件的时间常数谱R(z)：

$R\left(z\right)=\[\frac{d}{dz}a\left(z\right)\]{\⊗}^{-1}{w}_z\left(z\right)---\left(3\right)$

其中，w_z(z)＝exp[z-exp(z)]，w_z(z)为中间变量；反卷积计算的运算符号。

(3)将器件的时间常数谱R(z)进行离散化可得到器件的祖荣网络模型Foster模型，通过如公式(4)所示的Foster热网络与Cauer热网络模型的转换关系，将Foster热网络转换为Cauer热网络模型：

$Z\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1+\frac{1}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2+\frac{1}{R_2+...+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_n+\frac{1}{R_n}}}}}}---\left(4\right)$

其中：s为拉普拉斯算子；C₁、C₂、…C_n分别代表每层材料的热容；R₁、R₂、…R_n分别代表每层材料的热阻。

(4)通过器件的Cauer热网络模型得到器件的积分结构函数C(R)＝f(R)，即热阻与热容的关系。器件的Cauer热网络模型和积分结构函数曲线的对应关系如图6所示，Cauer热网络模型中每个节点的热阻R_thi和热容C_thi与积分结构函数一一对应，其中横轴为热阻，纵轴表示热容，其中所述积分结构函数C(R)由下式(5)所示：

C(R)＝c·ρ·k·A²·R (5)

其中，R为器件的热阻[K/W]；A为材料的横截面积[m²]；k为材料的热导率[W/(m*K)]；c为材料的比热容[J/(kg*K)]，ρ为材料密度[kg/m³]；

将热容对热阻进行微分即可得到器件的微分结构函数ρ(R)＝dC/dR，具体的微分结构函数由下式(6)表示：

$\mathrm{\ρ}\left(R\right)=\frac{dC\left(R\right)}{dR}=c\·\mathrm{\ρ}\·k\·A^2---\left(6\right)$

其中，R为器件的热阻[K/W]；A为材料的横截面积[m²]；k为材料的热导率[W/(m*K)]；c为材料的比热容[J/(kg*K)]，ρ为材料密度[kg/m³]。

4、通过器件的积分结构函数和微分结构函数的对比得到半导体器件内部每层接触界面的接触热阻值。

积分结构函数中，器件中相同截面积的同一种材料的热容与热阻是线性关系，具有一个固定的斜率，当热量经过器件中同一材料的不同截面积或不同材料时，斜率就会发生变化，即每个不同斜率代表不同材料或不同截面积；

微分结构函数中，幅值K与器件的材料参数和几何参数有关，与器件的热阻值没有关系，图中的峰值点即是器件中不同材料或不同截面积的交界处，可以通过峰值点来判别器件内部不同的材料的分界点。

如图7所示为积分结构函数和微分结构函数在相同的坐标系中的曲线图，由对比积分结构函数和微分结构函数的曲线得到材料层的接触热阻。

微分结构函数中的1和2分别代表不同的材料(材料1和材料2)的分界处，所以微分结构函数中1和2之间为同一层材料，即红线1和蓝线3之间包括热阻值R1+Rc，而积分结构函数中的1和2分别代表两层不同材料，红线1和红线2之间代表同一层材料1，热阻值为R1，所以红线2和蓝线3之间即为材料1与材料2间的接触热阻值Rc，同理可以确定其他材料层间的接触热阻值。

通过热阻测量夹具改变器件所施加的外部压力，可以得到不同压力条件下不同接触界面间的接触热阻值，可快速准确的测量压接型半导体器件内部各接触面不同压力条件下的接触热阻值。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可以对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率半导体器件内部接触热阻测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：绘制器件电学参数与结温的关系曲线；

步骤S2：绘制器件壳表面与散热基板间涂敷有液态金属时的瞬态热阻抗曲线；

步骤S3：绘制器件的积分结构函数和微分结构函数的图像；

步骤S4：确定试件内部接触热阻值。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括：

(1)将用测量夹具固定的试件放入恒温箱中；

(2)给试件输入感应电流I_sense，使器件产生结压降V_ce；

(3)升高恒温箱温度到指定温度，采集自然降温过程中的结压降信息，绘制结温T_j与结压降V_ce的变化关系曲线。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，包括：

(1)用两个散热基板夹持试件，在器件壳与所述夹持的散热基板间涂敷液态金属，并对试件施加工作压力F；

(2)给试件通入加热功率为P的加热电流I_drive直至内部结温达到热平衡后，切换到感应电流I_sense；

(3)测量结压降V_ce，由步骤S1得到的结温T_j与结压降V_ce的变化关系，得结温Tj；

(4)按下式(1)绘制器件的瞬态热阻抗曲线Zth-jc：

$Z_{th-jc}=\frac{T_j\left(t\right)-T_c}{P}---\left(1\right)$

其中，T_j(t)：各个时刻的结温；T_c：t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，绘制图像的过程包括：

(1)对瞬态热阻抗曲线进行数值求导得导数关系曲线

(2)对导数关系曲线进行数值反卷积计算得器件的时间常数谱R(z)；

(3)将试件的时间常数谱离散化得到阻容网络Foster模型，同时转换为Cauer热网络模型；

(4)根据Cauer热网络模型得到结构函数。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S3的步骤(1)中，中间变量a(z)如下式(2)所示：

a(z)＝Z_th-jc(t＝exp(z)) (2)

其中，z＝ln(t)，a(z)＝Z_th-jc(t)，；Z_th-jc(t)：试件的瞬态热阻抗曲线。

6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S3的步骤(2)中，所述器件的时间常数谱R(z)如下式(3)所示：

$R\left(z\right)={\[\frac{d}{dz}a\left(z\right)\]}^{-1}\⊗w_z\left(z\right)---\left(3\right)$

其中，w_z(z)＝exp[z-exp(z)]，w_z(z)为中间变量；反卷积计算的运算符号。

7.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S3的步骤(3)中，离散化得到的阻容网络模型Foster模型由下式(4)所示的转换关系得到如下Cauer热网络模型：

其中：s为拉普拉斯算子；C₁、C₂、…C_n分别代表每层材料的热容；R₁、R₂、…R_n分别代表每层材料的热阻。

8.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S3的步骤(4)中，由所述Cauer热网络模型得到下式(5)所示的积分结构函数C(R)表示的热阻与热容的关系式：

C(R)＝c·ρ·k·A²·R (5)

其中，R为器件的热阻[K/W]；A为材料的横截面积[m²]；k为材料的热导率[W/(m*K)]；

c为材料的比热容[J/(kg*K)]，ρ为材料密度[kg/m³]；

将热容对热阻进行微分，得到下式(6)所示的试件微分结构函数表示式ρ(R)：

$\mathrm{\ρ}\left(R\right)=\frac{dC\left(R\right)}{dR}=c\·\mathrm{\ρ}\·k\·A^2---\left(6\right)$

其中，R为器件的热阻[K/W]；A为材料的横截面积[m²]；k为材料的热导率[W/(m*K)]；

c为材料的比热容[J/(kg*K)]，ρ为材料密度[kg/m³]。

9.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，结合积分结构函数和微分结构函数的图像求取试件内部接触热阻值。

10.一种如权利要求1-9任一权利要求所述的测量方法所用的测量夹具，其特征在于，所述测量夹具由水平方向基板和竖直方向立柱连接而成；

所述基板包括上基本、中基板和下基板；所述上基板和所述中基板间两端的水平方向分别设有绝缘板和散热基板；

所述中基板和下基板间依次安装有压力均布装置、传感器、压力维持板和压力施加装置；

所述压力均布装置依次包括半球面和安装有碟簧的导柱；

所述压力施加装置依次包括顶杆和安装有显示仪表的基座；

所述立柱穿过所述上基板和所述下基板；分别在所述上基板和所述下基板两侧设置螺母，以固定所述上基板和下基板；

所述压力维持板下侧设置螺母，以固定所述压力维持板；

所述散热基板左右两侧分别设置冷却系统接口和直流母排接口。