隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展以及絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar translator，IGBT）模塊的普遍應(yīng)用，電力電子可靠性要求不斷提高，而過熱失效這一主要失效原因亦成為IGBT器件研制的障礙。為解決這一瓶頸問題，近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者們也將關(guān)注的焦點放在了IGBT模塊的熱失效分析方面。熱阻這一表征半導(dǎo)體器件熱傳導(dǎo)的參量也成了熱失效問題中的一個熱點。

IGBT熱阻的測試及計算方法常見的有以下幾種，包括熱傳導(dǎo)法、熱敏參數(shù)法、物理接觸法、紅外熱成像法、等效熱網(wǎng)絡(luò)模型法等。

熱傳導(dǎo)法以IGBT定義式為基礎(chǔ)進行熱阻計算。這種方法具有用直接基于尺寸參數(shù)和材料熱特性解算模塊結(jié)殼熱阻和能清楚地反映出模塊內(nèi)各層構(gòu)造熱阻值等優(yōu)點，其不足之處在于模塊內(nèi)各層導(dǎo)熱材料厚度與有效導(dǎo)熱面積近似，且忽略各層材料熱導(dǎo)率隨著溫度和退化程度的變化。

熱敏參數(shù)法首先得到溫敏參數(shù)，由溫敏參數(shù)求得IGBT的結(jié)溫，再根據(jù)IGBT熱阻的計算式求得其熱阻。該方法優(yōu)點是不易對器件造成破壞；缺點是引入了較多的測量誤差，殼溫最大值點難以確定，并且該方法需要在IGBT模塊達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時才能進行求解。對此也有很多文獻(xiàn)對該方法進行改進。

物理接觸法主要有利用熱電偶和光纖探頭直接測量結(jié)溫或者殼溫的。這種方法具有可直接求出測量點在任意時間內(nèi)的溫度等優(yōu)點；其不足之處在于一方面損壞了器件，而且所產(chǎn)生的損傷還影響了溫度分布，而另一方面測量點又不一定是溫度最大值的點，這些都會產(chǎn)生誤差。

紅外熱成像法就是利用紅外熱成像系統(tǒng)測溫的方法。它具有測量精度高、探測速度快等優(yōu)點；不足之處在于費用較高。等效熱網(wǎng)絡(luò)模型法采用計算機軟件編程擬合IGBT模塊瞬態(tài)熱阻抗曲線獲得其RC熱網(wǎng)絡(luò)模型繼而獲得熱阻。這種方法的好處在于計算速度很快；缺點在于隨IGBT模塊不斷劣化，熱網(wǎng)絡(luò)模型中阻容參數(shù)需不斷修改且工作煩瑣。

根據(jù)以上分析可知，傳統(tǒng)的熱阻計算方法在準(zhǔn)確性、測量周期或是成本上都有著些許缺陷，因此，本文根據(jù)瞬態(tài)熱阻抗計算式提出了一種可以在工況條件下快速、準(zhǔn)確計算IGBT模塊結(jié)殼熱阻的方法。

IGBT模塊快速計算法原理

JESD51—14中定義，在t=0時刻給半導(dǎo)體器件施加1個恒定的熱功率，那么t時刻的瞬態(tài)熱阻抗可通過下式計算：

式中：

TJ(t)：為t時刻的芯片結(jié)溫；

TJ(t=0)：為t=0時刻的芯片結(jié)溫；

PH：為施加的熱功率。

電熱比擬理論認(rèn)為熱阻這一材料本身屬性是恒定的。但熱和電也有本質(zhì)區(qū)別，電傳得很快，也就是電場傳得很快，熱傳得比較慢，有遲滯現(xiàn)象。所以以IGBT模塊為例，熱量從芯片上產(chǎn)生、往下轉(zhuǎn)移的過程當(dāng)中,t1時刻，熱量的前端剛剛轉(zhuǎn)移至襯底層（DBC）下表面，則熱量流過物料的熱阻就是結(jié)在DBC下表面上的熱阻，根據(jù)式（1）求得的ZθJC（t1）即結(jié)到DBC底面的熱阻；當(dāng)t2時刻熱量前端傳遞到銅基板底面時，那么熱量所流經(jīng)的熱阻則為模塊結(jié)殼熱阻，根據(jù)式（1）求得的ZθJC（t2）即結(jié)殼熱阻。所以通過研究熱量前端傳遞到銅基板底面的時間節(jié)點及該時刻的模塊結(jié)溫大小，根據(jù)熱量的流經(jīng)熱阻，由式（1）就可求得模塊的結(jié)殼熱阻。

為研究熱量向銅基板底面?zhèn)鬟f的時間節(jié)點，對某一恒功率載荷作用下IGBT模塊結(jié)殼溫度0.02s之前的變化曲線進行了模擬研究，結(jié)果如圖1。

由圖1可知，在t0時刻施加恒功率載荷后，芯片溫度迅速上升，在0.02s時刻升高了0.85℃，而殼的溫度升高出現(xiàn)遲滯性，在0.014s才有較為明顯的升高，且溫度變化速率要小于結(jié)溫變化速率，在0.02s時殼溫升高了0.003℃左右。為了準(zhǔn)確研究模塊熱能傳遞過程，對圖1中的殼溫變化曲線進行局部放大，如圖2所示。

由圖2可知，殼溫在0.003s前不發(fā)生變化，也就是說當(dāng)t=0.003s時，由芯片吸收的熱量剛好傳遞到IGBT模塊基板底面。

為了便于觀察，只對模塊中1組IGBT芯片的剖切面進行仿真，得出IGBT在0.003s時的瞬態(tài)縱向分布，如圖3所示。

如圖3所示，熱流從IGBT芯片到銅基板底面是沿著箭頭方向流動。基于此模擬可知0.003s下熱流正好到達(dá)銅基板的底側(cè)，這也驗證了我們遲滯性理論的正確性。

通過圖1～圖3可知，熱量從芯片傳遞到銅基板底面的時間為0.003s，由于IGBT模塊芯片到銅基板底面的垂直距離為4.75mm，所以可以求得熱量在IGBT模塊中的平均傳播速度為1.58m/s，遠(yuǎn)低于電子在金屬導(dǎo)體中的傳播速度，因此熱量的傳遞與電能傳遞相比具有遲滯性。

IGBT快速計算模型建立

根據(jù)對式（1）的分析可知，當(dāng)tp時刻熱量恰好傳遞至模塊銅基板底面時，由式（1）所計算的瞬態(tài)熱阻ZθJC（tp）是模塊熱量所流經(jīng)的熱阻和，即為模塊的結(jié)殼熱阻。

從圖1中可以看出，模塊芯片向銅基板底面?zhèn)鳠崴钑r間為10-3s量級，很短，所以利用這種方法可以迅速地計算出模塊結(jié)殼時的熱阻，不需要等IGBT模塊達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱模式后再測量。故工況條件采用本方法可得到IGBT模塊開機瞬間結(jié)殼熱阻。因為模塊在工作前各點溫度與環(huán)境溫度相同，所以模塊結(jié)殼熱阻的計算方法如下式所示：

其中，tp滿足：

式中：

Ta：為環(huán)境溫度；

Tc(t)：為t時刻模塊的殼溫；

Tp：為模塊殼溫剛開始升高的時間點。

從上述研究來看，模擬可以簡便地捕捉殼溫開始上升的時間點和相應(yīng)時刻結(jié)溫。但是在實際工況測量中，要得到這個時間節(jié)點就必須同時對模塊結(jié)殼溫度進行監(jiān)測，并根據(jù)模塊變化曲線對曲線方程進行擬合，找出ΔTc恰好不是零時的tp值。但是建立數(shù)學(xué)模型、以及求導(dǎo)分析過程煩瑣，而且在底殼溫度測量點的選擇上存在隨機性，從而造成結(jié)殼熱阻結(jié)果存在誤差。

為了可以準(zhǔn)確獲取tp時刻的結(jié)溫TJ (tp)，需要對IGBT模塊的傳熱過程進一步分析。當(dāng)給IGBT模塊施加一恒定功率時，熱量由芯片的PN結(jié)產(chǎn)生并垂直向下傳遞，當(dāng)器件的殼溫沒有發(fā)生變化之前，通過式（1）求得的瞬態(tài)熱阻大小不受模塊外部散熱條件的影響，只與模塊內(nèi)部散熱性能有關(guān)。因此，對于散熱條件不同的IGBT模塊，由于在此時間段，熱量的傳遞路徑完全一致，所以模塊的結(jié)溫變化曲線也完全一致。久而久之，因IGBT模塊銅基板底部溫度上升，熱對流將熱量散到環(huán)境中去，這時由式（1）得到的瞬態(tài)熱阻較大時，會受到模塊外散熱的影響。針對散熱條件的差異，該時刻之后IGBT模塊熱量傳遞路徑發(fā)生了變化，結(jié)溫曲線發(fā)生了分離。兩種不同散熱系數(shù)IGBT模塊在加載同一熱載荷下結(jié)溫變化曲線如圖4。

由圖4分析知，在tp時刻，熱量剛好由芯片傳遞至模塊銅基板底面；在tp時刻之前兩模塊熱量傳遞路徑及條件完全一致，所以對于不同散熱系數(shù)的IGBT模塊結(jié)溫在此時間段變化曲線一致；當(dāng)tp時刻之后，熱從銅基板底面開始散失到周圍環(huán)境中，這兩個模塊因使用對流系數(shù)不同而改變了熱傳遞條件，結(jié)溫升高速率亦隨之變化：對流系數(shù)越高的模塊結(jié)溫變化率越低，而對流系數(shù)越低則結(jié)溫變化率越高。

IGBT模塊快速計算仿真研究

為驗證所提方法的準(zhǔn)確性，采用有限元仿真進行了實例求解和計算。為了能夠同時對模塊熱阻進行快速地計算，模擬中在同一個工作平臺上建立了兩個完全吻合的IGBT模塊三維模型并且對其設(shè)定了不同對流系數(shù)來替代實際測量中相繼兩次的測量。具體解題流程如下。

1.在同一工作平臺建立2個完全一致的IGBT模塊3維模型，并進行完全相同的網(wǎng)絡(luò)劃分，如圖5所示。

2.銅基板底面的對流系數(shù)分別設(shè)為50和100，仿真不同散熱條件的模塊傳熱特性。

3.給2個模塊的IGBT芯片均施加功率為50W的熱載荷。

4.通過仿真獲得IGBT模塊的結(jié)溫變化曲線如圖6所示

由圖6可知，在t=0.0014s時，2條結(jié)溫曲線發(fā)生分離，分離時的結(jié)溫大小為TJ（0.0014）=33.3℃。

5.經(jīng)過仿真可知，TJ（0.0014）=33.3℃，Ta=25℃，P=50W，根據(jù)式（2），求得IGBT模塊的結(jié)殼熱阻RJC=0.166℃/W。

為驗證所提方法的準(zhǔn)確性，采用有限元仿真進行了實例求解和計算。為了能夠同時對模塊熱阻進行快速地計算，模擬中在同一個工作平臺上建立了兩個完全吻合的IGBT模塊三維模型并且對其設(shè)定了不同對流系數(shù)來替代實際測量中相繼兩次的測量。具體解題流程如下。

解算出結(jié)殼熱阻達(dá)到0.166°C·W-1。對比上述結(jié)果證明IGBT模塊快速計算法是可行和正確的。

IGBT模塊快速計算試驗研究

1、快速計算工況條件實現(xiàn)方法

根據(jù)以上分析，在實際工況條件下使用該模型計算IGBT模塊結(jié)殼熱阻的實現(xiàn)方法為：

在同一坐標(biāo)系下繪制不同散熱條件下IGBT模塊的結(jié)溫變化曲線，2條曲線的分離點對應(yīng)的時刻即為殼溫剛開始升高的時間點tp, 此時對應(yīng)的結(jié)溫大小即為TJ(tp)。這樣就可以根據(jù)式（2）直接計算模塊的結(jié)殼熱阻。

在工況條件下通過該方法計算模塊結(jié)殼熱阻的具體步驟如下：

1.使IGBT模塊在環(huán)境溫度Ta下達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，即模塊各節(jié)點溫度均為Ta，沒有熱傳遞發(fā)生；

2.給IGBT模塊施加一恒定功率P，采集其結(jié)溫變化曲線；

3.改變IGBT模塊散熱條件例如：組裝散熱器后改變銅基板和散熱器間導(dǎo)熱硅脂的厚度、未組裝散熱器后施加或者改變風(fēng)冷后空氣的速度等。再施加恒定功率P并收集其結(jié)溫變化曲線；

4.尋找2次采集的結(jié)溫變化曲線分離點對應(yīng)的結(jié)溫大小TJ (tp)；

5.根據(jù)式（2）計算模塊的結(jié)殼熱阻。為了使得測試過程更加快捷方便，可以提前測量不同條件下結(jié)溫的變化曲線，形成數(shù)據(jù)庫。

這樣，實際操作時只需測量1次結(jié)溫變化曲線，再與數(shù)據(jù)庫中同條件結(jié)溫曲線進行比對即可。

2、快速計算實驗條件實現(xiàn)方法

通過嵌入光纖傳感器可實現(xiàn)對芯片結(jié)溫的精確測量，而無需改變模塊本身的傳熱特性，本部分將基于分離點求取結(jié)殼熱阻，并在實驗室工況下對模塊結(jié)殼熱阻進行了測量。

根據(jù)制定的在工況條件下實驗該方法的具體步驟，設(shè)計實驗條件下結(jié)殼熱阻測試的實現(xiàn)方法。

1.環(huán)境溫度設(shè)置。為了更好地模擬工況條件，實驗過程直接在實驗室環(huán)境中進行，同時記錄測試時刻環(huán)境溫度的大小。

2.施加恒定功率。對IGBT模塊加恒定電流30A,因發(fā)生結(jié)溫分離點時刻約為數(shù)ms,故對模塊柵極加+15V脈沖信號，作用時間1s。經(jīng)過實測和推算，這時產(chǎn)熱功率達(dá)到了52.6W。

3.設(shè)置不同散熱系數(shù)。由于2次測量需要給模塊設(shè)置不同的散熱系數(shù)，所以實驗過程中，第1次測量時，不做任何散熱處理，第2次測量時給模塊進行風(fēng)冷。

4.結(jié)溫采樣。利用溫度信號解調(diào)器能夠?qū)饫w探頭收集到的光信號進行處理并發(fā)送至PC機,PC機能夠?qū)ζ溥M行曲線擬合和其他處理。在實驗中，結(jié)溫采樣頻率由計算機設(shè)定為9600Hz,也就是說溫度值每s可采集9600個，每0.1ms取樣一次。實測IGBT模塊在加載過程中的環(huán)境溫度Ta等于19.8°C。

3、 快速計算實驗條件結(jié)果及分析

嚴(yán)格按照以上實驗室條件進行測試，2次實驗采集的結(jié)溫點如圖7所示。

由圖7及采集點數(shù)據(jù)分析可知，2次測量結(jié)溫分離點時刻結(jié)溫為TJ(tp)=28.6℃。根據(jù)實驗條件可知，Ta=19.8℃，P=52.6W，根據(jù)式（2）求得模塊的結(jié)殼熱阻為RJC=0.1673℃/W。

經(jīng)比對試驗計算結(jié)果表明：采用結(jié)溫分離點法進行模塊結(jié)殼熱阻的計算具有更高的準(zhǔn)確度。同時實驗過程所需要的時間較少，不需要等模塊達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)就可以達(dá)到快速測量的目的。

通過分析試驗過程，總結(jié)發(fā)現(xiàn)在工況條件下使用該方法也存在一些不足：

1.工況條件下的IGBT模塊都有封裝結(jié)構(gòu)，無法直接測量芯片結(jié)溫；

2.該測試方法需要在不同對流系數(shù)下進行2次測量，第1次結(jié)束后需等待IGBT模塊冷卻到環(huán)境溫度才可進行下一次測量；

3.工況下IGBT模塊均用于組裝散熱器，拆下散熱器或者更改散熱器和銅底板之間導(dǎo)熱硅脂厚度時工作較為煩瑣且影響IGBT模塊正常運行。

通過本文的分析可知，該IGBT模塊結(jié)殼溫度快速計算法具有以下優(yōu)點：

1.無需測量模塊的殼溫，消除了測量IGBT 殼溫時因選取節(jié)點的隨機性而引入的計算誤差；

2.測量誤差較小；IGBT模塊芯片各部分溫度分布相差不大，因此測量點選擇的隨機性在計算熱阻時幾乎沒有影響，環(huán)境溫度及所加恒定功率均能在工況條件下測得精確；

3.測量周期短，由于熱量由模塊芯片向銅基板底面轉(zhuǎn)移的時間為10-3s量級，所以對IGBT模塊恒功率P施加所需的時間很短，收集一條結(jié)溫變化曲線只需幾個s即可完成。

結(jié)論

該文為尋求一種熱阻快速計算新方法，給出一種通過得到不同散熱情況下結(jié)溫變化曲線上分離點的IGBT模塊結(jié)殼熱阻解算方法。設(shè)計了一種在工況條件下用此方法解決IGBT模塊結(jié)殼熱阻問題的實施方法及具體試驗步驟，最后給出了仿真分析和試驗分析的結(jié)果，采用這種方法都能迅速，精確地得到IGBT模塊結(jié)殼熱阻。

總結(jié)知該方法具有計算誤差小、測量周期短的優(yōu)點，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速測量模塊結(jié)殼熱阻的要求。