瞬態(tài)熱阻抗準(zhǔn)確計(jì)算IGBT模塊結(jié)殼熱阻的方法

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(guò)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(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者們也將關(guān)注的焦點(diǎn)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(wèn)題中的一個(gè)熱點(diǎn)。

IGBT熱阻的測(cè)試及計(jì)算方法常見(jiàn)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(jìn)行熱阻計(jì)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(diǎn)，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(jì)算式求得其熱阻。該方法優(yōu)點(diǎn)是不易對(duì)器件造成破壞；缺點(diǎn)是引入了較多的測(cè)量誤差，殼溫最大值點(diǎn)難以確定，并且該方法需要在IGBT模塊達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)才能進(jìn)行求解。對(duì)此也有很多文獻(xiàn)對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)。

物理接觸法主要有利用熱電偶和光纖探頭直接測(cè)量結(jié)溫或者殼溫的。這種方法具有可直接求出測(cè)量點(diǎn)在任意時(shí)間內(nèi)的溫度等優(yōu)點(diǎn)；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(cè)量點(diǎn)又不一定是溫度最大值的點(diǎn)，這些都會(huì)產(chǎn)生誤差。

紅外熱成像法就是利用紅外熱成像系統(tǒng)測(cè)溫的方法。它具有測(cè)量精度高、探測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)；不足之處在于費(fèi)用較高。等效熱網(wǎng)絡(luò)模型法采用計(jì)算機(jī)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(jì)算速度很快；缺點(diǎn)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(jì)算方法在準(zhǔn)確性、測(cè)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(jì)算式提出了一種可以在工況條件下快速、準(zhǔn)確計(jì)算IGBT模塊結(jié)殼熱阻的方法。

IGBT模塊快速計(jì)算法原理

JESD51—14中定義，在t=0時(shí)刻給半導(dǎo)體器件施加1個(gè)恒定的熱功率，那么t時(shí)刻的瞬態(tài)熱阻抗可通過(guò)下式計(jì)算：

式中：

TJ(t)：為t時(shí)刻的芯片結(jié)溫；

TJ(t=0)：為t=0時(shí)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(chǎng)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(guò)程當(dāng)中,t1時(shí)刻，熱量的前端剛剛轉(zhuǎn)移至襯底層（DBC）下表面，則熱量流過(guò)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(shí)刻熱量前端傳遞到銅基板底面時(shí)，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(guò)研究熱量前端傳遞到銅基板底面的時(shí)間節(jié)點(diǎn)及該時(shí)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(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)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(jìn)行了模擬研究，結(jié)果如圖1。

由圖1可知，在t0時(shí)刻施加恒功率載荷后，芯片溫度迅速上升，在0.02s時(shí)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(shí)殼溫升高了0.003℃左右。為了準(zhǔn)確研究模塊熱能傳遞過(guò)程，對(duì)圖1中的殼溫變化曲線進(jìn)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(shuō)當(dāng)t=0.003s時(shí)，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(duì)模塊中1組IGBT芯片的剖切面進(jìn)行仿真，得出IGBT在0.003s時(shí)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(dòng)?；诖四M可知0.003s下熱流正好到達(dá)銅基板的底側(cè)，這也驗(yàn)證了我們遲滯性理論的正確性。

通過(guò)圖1～圖3可知，熱量從芯片傳遞到銅基板底面的時(shí)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(jì)算模型建立

根據(jù)對(duì)式（1）的分析可知，當(dāng)tp時(shí)刻熱量恰好傳遞至模塊銅基板底面時(shí)，由式（1）所計(jì)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(shí)間為10-3s量級(jí)，很短，所以利用這種方法可以迅速地計(jì)算出模塊結(jié)殼時(shí)的熱阻，不需要等IGBT模塊達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱模式后再測(cè)量。故工況條件采用本方法可得到IGBT模塊開(kāi)機(jī)瞬間結(jié)殼熱阻。因?yàn)槟K在工作前各點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度相同，所以模塊結(jié)殼熱阻的計(jì)算方法如下式所示：

其中，tp滿(mǎn)足：

式中：

Ta：為環(huán)境溫度；

Tc(t)：為t時(shí)刻模塊的殼溫；

Tp：為模塊殼溫剛開(kāi)始升高的時(shí)間點(diǎn)。

從上述研究來(lái)看，模擬可以簡(jiǎn)便地捕捉殼溫開(kāi)始上升的時(shí)間點(diǎn)和相應(yīng)時(shí)刻結(jié)溫。但是在實(shí)際工況測(cè)量中，要得到這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)就必須同時(shí)對(duì)模塊結(jié)殼溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)模塊變化曲線對(duì)曲線方程進(jìn)行擬合，找出ΔTc恰好不是零時(shí)的tp值。但是建立數(shù)學(xué)模型、以及求導(dǎo)分析過(guò)程煩瑣，而且在底殼溫度測(cè)量點(diǎn)的選擇上存在隨機(jī)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(shí)刻的結(jié)溫TJ (tp)，需要對(duì)IGBT模塊的傳熱過(guò)程進(jìn)一步分析。當(dāng)給IGBT模塊施加一恒定功率時(shí)，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(méi)有發(fā)生變化之前，通過(guò)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(duì)于散熱條件不同的IGBT模塊，由于在此時(shí)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(duì)流將熱量散到環(huán)境中去，這時(shí)由式（1）得到的瞬態(tài)熱阻較大時(shí)，會(huì)受到模塊外散熱的影響。針對(duì)散熱條件的差異，該時(shí)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(shí)刻，熱量剛好由芯片傳遞至模塊銅基板底面；在tp時(shí)刻之前兩模塊熱量傳遞路徑及條件完全一致，所以對(duì)于不同散熱系數(shù)的IGBT模塊結(jié)溫在此時(shí)間段變化曲線一致；當(dāng)tp時(shí)刻之后，熱從銅基板底面開(kāi)始散失到周?chē)h(huán)境中，這兩個(gè)模塊因使用對(duì)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(duì)流系數(shù)越高的模塊結(jié)溫變化率越低，而對(duì)流系數(shù)越低則結(jié)溫變化率越高。

IGBT模塊快速計(jì)算仿真研究

為驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性，采用有限元仿真進(jìn)行了實(shí)例求解和計(jì)算。為了能夠同時(shí)對(duì)模塊熱阻進(jìn)行快速地計(jì)算，模擬中在同一個(gè)工作平臺(tái)上建立了兩個(gè)完全吻合的IGBT模塊三維模型并且對(duì)其設(shè)定了不同對(duì)流系數(shù)來(lái)替代實(shí)際測(cè)量中相繼兩次的測(cè)量。具體解題流程如下。

1.在同一工作平臺(tái)建立2個(gè)完全一致的IGBT模塊3維模型，并進(jìn)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(duì)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(gè)模塊的IGBT芯片均施加功率為50W的熱載荷。

4.通過(guò)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(shí)，2條結(jié)溫曲線發(fā)生分離，分離時(shí)的結(jié)溫大小為T(mén)J（0.0014）=33.3℃。

5.經(jīng)過(guò)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(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性，采用有限元仿真進(jìn)行了實(shí)例求解和計(jì)算。為了能夠同時(shí)對(duì)模塊熱阻進(jìn)行快速地計(jì)算，模擬中在同一個(gè)工作平臺(tái)上建立了兩個(gè)完全吻合的IGBT模塊三維模型并且對(duì)其設(shè)定了不同對(duì)流系數(shù)來(lái)替代實(shí)際測(cè)量中相繼兩次的測(cè)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(duì)比上述結(jié)果證明IGBT模塊快速計(jì)算法是可行和正確的。

IGBT模塊快速計(jì)算試驗(yàn)研究

1、快速計(jì)算工況條件實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)以上分析，在實(shí)際工況條件下使用該模型計(jì)算IGBT模塊結(jié)殼熱阻的實(shí)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為殼溫剛開(kāi)始升高的時(shí)間點(diǎn)tp, 此時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)溫大小即為T(mén)J(tp)。這樣就可以根據(jù)式（2）直接計(jì)算模塊的結(jié)殼熱阻。

在工況條件下通過(guò)該方法計(jì)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(diǎn)溫度均為T(mén)a，沒(méi)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)溫大小TJ (tp)；

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

這樣，實(shí)際操作時(shí)只需測(cè)量1次結(jié)溫變化曲線，再與數(shù)據(jù)庫(kù)中同條件結(jié)溫曲線進(jìn)行比對(duì)即可。

2、快速計(jì)算實(shí)驗(yàn)條件實(shí)現(xiàn)方法

通過(guò)嵌入光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片結(jié)溫的精確測(cè)量，而無(wú)需改變模塊本身的傳熱特性，本部分將基于分離點(diǎn)求取結(jié)殼熱阻，并在實(shí)驗(yàn)室工況下對(duì)模塊結(jié)殼熱阻進(jìn)行了測(cè)量。

根據(jù)制定的在工況條件下實(shí)驗(yàn)該方法的具體步驟，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件下結(jié)殼熱阻測(cè)試的實(shí)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(shí)驗(yàn)過(guò)程直接在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)記錄測(cè)試時(shí)刻環(huán)境溫度的大小。

2.施加恒定功率。對(duì)IGBT模塊加恒定電流30A,因發(fā)生結(jié)溫分離點(diǎn)時(shí)刻約為數(shù)ms,故對(duì)模塊柵極加+15V脈沖信號(hào)，作用時(shí)間1s。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)和推算，這時(shí)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(cè)量需要給模塊設(shè)置不同的散熱系數(shù)，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，第1次測(cè)量時(shí)，不做任何散熱處理，第2次測(cè)量時(shí)給模塊進(jìn)行風(fēng)冷。

4.結(jié)溫采樣。利用溫度信號(hào)解調(diào)器能夠?qū)饫w探頭收集到的光信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)送至PC機(jī),PC機(jī)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行曲線擬合和其他處理。在實(shí)驗(yàn)中，結(jié)溫采樣頻率由計(jì)算機(jī)設(shè)定為9600Hz,也就是說(shuō)溫度值每s可采集9600個(gè)，每0.1ms取樣一次。實(shí)測(cè)IGBT模塊在加載過(guò)程中的環(huán)境溫度Ta等于19.8°C。

3、 快速計(jì)算實(shí)驗(yàn)條件結(jié)果及分析

嚴(yán)格按照以上實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行測(cè)試，2次實(shí)驗(yàn)采集的結(jié)溫點(diǎn)如圖7所示。

由圖7及采集點(diǎn)數(shù)據(jù)分析可知，2次測(cè)量結(jié)溫分離點(diǎn)時(shí)刻結(jié)溫為T(mén)J(tp)=28.6℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表明：采用結(jié)溫分離點(diǎn)法進(jìn)行模塊結(jié)殼熱阻的計(jì)算具有更高的準(zhǔn)確度。同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需要的時(shí)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(cè)量的目的。

通過(guò)分析試驗(yàn)過(guò)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(wú)法直接測(cè)量芯片結(jié)溫；

2.該測(cè)試方法需要在不同對(duì)流系數(shù)下進(jìn)行2次測(cè)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(jìn)行下一次測(cè)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(shí)工作較為煩瑣且影響IGBT模塊正常運(yùn)行。

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

1.無(wú)需測(cè)量模塊的殼溫，消除了測(cè)量IGBT 殼溫時(shí)因選取節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)性而引入的計(jì)算誤差；

2.測(cè)量誤差較??；IGBT模塊芯片各部分溫度分布相差不大，因此測(cè)量點(diǎn)選擇的隨機(jī)性在計(jì)算熱阻時(shí)幾乎沒(méi)有影響，環(huán)境溫度及所加恒定功率均能在工況條件下測(cè)得精確；

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

結(jié)論

該文為尋求一種熱阻快速計(jì)算新方法，給出一種通過(guò)得到不同散熱情況下結(jié)溫變化曲線上分離點(diǎn)的IGBT模塊結(jié)殼熱阻解算方法。設(shè)計(jì)了一種在工況條件下用此方法解決IGBT模塊結(jié)殼熱阻問(wèn)題的實(shí)施方法及具體試驗(yàn)步驟，最后給出了仿真分析和試驗(yàn)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(jì)算誤差小、測(cè)量周期短的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速測(cè)量模塊結(jié)殼熱阻的要求。