張鳳，謝立利

（無錫華潤微電子有限公司，江蘇 無錫 214061）

0 引言

智能功率模塊（Intelligent Power Module）內(nèi)部集成了IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、門極驅(qū)動電路和故障檢測電路等，在白色家電、變頻器、工業(yè)控制、伺服驅(qū)動等領(lǐng)域中具有良好的發(fā)展前景。通常IPM功率密度非常大，自熱會使IPM的結(jié)溫升高，直接影響IPM的電特性和可靠性，甚至導(dǎo)致IPM失效。IPM結(jié)溫檢測對于其動態(tài)性能和可靠性評價具有重要意義?，F(xiàn)有的結(jié)溫測量技術(shù)有數(shù)學(xué)物理法、實(shí)測結(jié)溫法、紅外掃描法等，這幾種方法存在著破壞性強(qiáng)、響應(yīng)時間長、效率低等缺點(diǎn)[1-2]。而本文采用的電學(xué)法，是利用IPM的集電極-發(fā)射極VCE與結(jié)溫之間的線性關(guān)系，通過對VCE的測量間接地測量IPM的結(jié)溫，屬于一種無損測量技術(shù)[3-6]。瞬態(tài)熱阻Zth是反映IPM在開通、關(guān)斷、浪涌等瞬態(tài)時結(jié)溫和功耗之間的熱響應(yīng)評價指標(biāo)[7-8]。本文利用Power Tester（功率循環(huán)及熱測試平臺）測量IPM瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線，瞬態(tài)采樣時間間隔最快為1微秒，結(jié)溫分辨率高，能利用結(jié)構(gòu)函數(shù)分析出IPM散熱路徑的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。目前這種降溫測試法已成為國際大公司普遍采用的專利技術(shù)。

1 測試電路

本文采用Power Tester進(jìn)行測試，測試電路如圖1，選取IPM中U相下管IGBT，作為被測功率管，設(shè)備如圖2。圖1中電流源I1提供測試電流IC1（200mA），使VCE超過其飽和值。閉合開關(guān)S后，電流源I2提供加熱電流（被測試IPM額定電流）。斷開開關(guān)S后，電流源I1繼續(xù)提供測試電流IC1（200mA）。流過被測IPM的IC必須足夠大，同時又必須足夠小以保證該電流不會產(chǎn)生明顯的自熱效應(yīng)。流過的電流過大，會導(dǎo)致結(jié)溫明顯變化；流過的電流過小，會導(dǎo)致正向壓降值測量誤差較大。IPM熱阻測試必須在熱穩(wěn)定狀態(tài)下測量。

2 測試方法

本文首先分別在金屬冷板和陶瓷冷板上測量出IPM的瞬態(tài)降溫曲線；然后對瞬態(tài)降溫曲線進(jìn)行數(shù)值處理，得出結(jié)構(gòu)函數(shù)；最后根據(jù)結(jié)構(gòu)函數(shù)中分析出熱阻和熱容等熱屬性參數(shù)，根據(jù)JEDEC51-14的規(guī)定兩條曲線的分離點(diǎn)即為IPM熱阻值。本文選擇A公司、B公司、C公司和華潤微電子的同規(guī)格IPM樣品各一只，進(jìn)行對比測試。IPM焊接在測試板（電路板上提供IPM的供電電壓以及使IGBT開通的驅(qū)動信號），再將測試板用夾具固定在控溫冷板上。在選取兩種界面材質(zhì)時應(yīng)確保在加熱過程中兩種界面溫度差值超過15℃，這樣有利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

3 測試步驟

第一步：將被測IPM置于Power Tester中，先根據(jù)脈沖電壓不產(chǎn)生自熱，保持測試電流IC1不變，依次加熱至溫度T1和T2，測出對應(yīng)的變化的電壓VCE1和VCE2，繪制出電壓-溫度曲線，求出斜率K：

第二步：測量IPM管殼溫度TC1。在溫度TC1，測量TC1產(chǎn)生的VCE3。閉合功率開關(guān)S，加熱電流IC2流通。IC2產(chǎn)生自熱，對IPM加熱至穩(wěn)定溫度TC2，此時已經(jīng)建立起熱平衡，TC=TC2，同時測量VCE4。

第三步：切換IC2到IC1，測出此時VCE5，再利用K求出此時的結(jié)溫：

第四步：用Power Tester軟件處理溫度曲線，最終得出IPM熱阻值。

4 測試結(jié)果

圖3～10為四種IPM樣品熱阻數(shù)據(jù)通過軟件處理得到的熱阻曲線，兩條曲線的分離點(diǎn)即為IPM的熱阻值。表1為四種IPM datasheet上數(shù)值與實(shí)測值的對比。

5 結(jié)語

表1 測試數(shù)據(jù)

本文采用雙界面熱阻測試法實(shí)現(xiàn)了對四款I(lǐng)PM樣品熱阻值的準(zhǔn)確測量，并且這種測試方法具有重復(fù)性。結(jié)果表明，雙界面熱阻測試方法適用于封裝完整的IPM器件的熱阻測試和監(jiān)控，可以廣泛應(yīng)用到IPM器件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中，將會縮短IPM設(shè)計(jì)周期，提高IPM的產(chǎn)品合格率。