IGBT器件结壳与接触热阻试验研究

IGBT器件结壳与接触热阻试验研究

丁云 王雄

中车株洲电力机车研究所有限公司 湖南株洲 412001

摘 要：本文介绍了电位法测量变流器模块中IGBT器件热阻的理论及方法，依据JEDEC 51-1和JEDEC 51-14的测试标准，采用T3ster热瞬态测试仪，试验样品为随机抽取HXD1C机车变流器模块上7个三菱IGBT器件，以及2个相同规格全新的英飞凌IGBT器件，进行结壳热阻与接触热阻试验研究，根据试验结果进行分析IGBT器件结壳热阻和接触热阻的变化，以及导热硅脂对IGBT器件接触热阻的影响。

关键词：IGBT；电位法；接触热阻；结壳热阻

1 引言

半导体器件是电力电子变流器中最为关键的器件，已有文献表明34%的电力电子变流器的系统故障原因归咎于半导体功率器件的损坏。当IGBT的功率密度一定时，IGBT芯片结温与散热器冷却液温度差是由IGBT芯片结点至散热器冷却液间的热阻决定，热阻大小表征IGBT器件工作时芯片结点通过内部封装体再通过散热器向外发散热量的能力，它是限定模块所承受功率能力的参数，因此研究和测量热阻对模块可靠性和寿命的研究具有十分重要的意义。

2 研究背景介绍

目前，工程上测试半导体器件温度常用的方法有红外扫描成像记录法和电学参数法。红外扫描热成像法能精确获得半导体芯片内部温度分布，但是该方法的设备操作复杂、成本高、速度慢，且对功率器件造成永久性破坏。电学参数法是利用半导体器件温度的变化而引起载流子数量的改变，其禁带宽度通常随着温度的升高而降低，并且在室温以上时，芯片电压随温度的变化具有良好的线性关系。

本文研究采用电学参数法，利用电学参数法得到半导体器件冷却瞬态温度曲线，根据T3ster数据采集和计算，采用数学算法得到器件热阻，再进行处理分析和对比试验数据，最终得出结论。

3 基本原理

3.1 热阻定义

热阻是表征物体在传热过程中对热流的阻碍作用，指器件达到热平衡条件下两个热流通道界面的温度差与通过两界面热流量之比。其定义式可以表示为：

式中： —器件界面A与界面B之间的热阻； —通过界面的热流量； —器件界面A处温度值； —器件界面B处温度值。

3.2 测试原理

3.2.1 电位法测结点温度

根据半导体器件的电流和电压特性，在小电流条件下，半导体器件的结温变化 与IGBT器件C、E极之间的电压 呈良好的线性关系，其线性关系可用系数K表示，其关系式可以表示为：

即：

关系式3表明已知K系数值，结点温度随时间变化关系可用结压降曲线表示。

3.2.2 结构函数基本理论

描述热容和热阻参数沿着热流路径分布的关系，就是传热过程中的热容热阻结构函数。基于传热学集中参数法理论，若给器件一个发热功率P，则器件温度随时间变化关系为：

式中： —器件的结点温度， —器件结点周围的热阻， —器件结点周围热容量， —器件发热时间。

实际分散RC系统的阶数是无限的，离散的热时间常数值将由所有可能的热时间常数值的连续谱替代，它们的总和由描述阶跃响应函数的公式积分表示，令 其结构关系式可以用关系式5表示。

关系式5右边是个卷积积分，可利用 符号进行卷积操作，则结构函数（阶跃热响应曲线和热时间常数频谱之间的关系）可以用关系式6表示。

式中： 关系是可测的（电位法测温）， 是已知的函数式。

4 测试方法和试验

4.1 试验测试

本试验基于上述理论方法，依据JEDEC 51-1和JEDEC 51-14的测试标准，采用T3ster热瞬态测试仪。随机抽取南宁机务段HXD1C机车上已经使用5年的变流器模块上7个三菱3300V/1200A的旧IGBT器件，为进行对比试验，另选用两个全新英飞凌同规格IGBT器件一并进行了热阻测试，试验主要测量了8种状态IGBT器件的IGBT或Diode芯片结点至冷却液热阻。

1. 三菱旧器件+旧导热硅脂，V1~V7，IGBT芯片

2. 三菱旧器件+旧导热硅脂，V1、V2、V6，Diode芯片

3. 三菱旧器件+无导热硅脂，V1~V7，IGBT芯片

4. 三菱旧器件+无导热硅脂，V1、V2、V6，Diode芯片

5. 三菱旧器件+新导热硅脂，V1~V7，IGBT芯片

6. 三菱旧器件+新导热硅脂，V1、V2、V6，Diode芯片

7. 英飞凌新器件+新导热硅脂，IGBT芯片、Diode芯片

8. 英飞凌新器件+无导热硅脂，IGBT芯片、Diode芯片

4.2 试验测试结果

试验数据表明厂家每个批次器件IGBT芯片和Diode芯片的K系数值基本相同，本试验仅列举出批次号为M090SD5N1-014的三菱旧IGBT器件，及批次号为45989的英飞凌新IGBT器件的IGBT芯片与Diode芯片的K曲线（如图1）。

图1 两种器件IGBT芯片和Diode芯片的K曲线

试验测得8种状态下的热阻值，最后采用后处理软件得到热阻值与芯片安装位置之间的曲线关系如图2。

图2 IGBT和Diode芯片热阻分布曲线

试验数据表明：英飞凌器件IGBT和Diode芯片结壳热阻值分别为8.5~8.6K/kW、17.1~17.3K/kW，英飞凌产品手册中提供的结壳热阻数据分别为8.5K/kW和17K/kW，与试验测试基本保持一致。

同品牌规格的IGBT器件K系数几乎完全一致，其中三菱和英飞凌器件IGBT芯片K值分别为：0.002370V/K、0.002549 V/K，三菱和英飞凌器件Diode芯片K值分别为：0.0023480V/K、0.002494 V/K。

同一位置的IGBT器件，涂覆新导热硅脂的接触热阻较无导热硅脂时下降了69%，使用5年后的旧导热硅脂的接触热阻较无导热硅脂时最大下降了12.8%。

5 结论

本文通过研究与试验主要得出以下结论：

1. 英飞凌器件IGBT和Diode芯片的结壳热阻试验测量值基本与厂家提供的产品手册值一致，证明试验方案正确且试验测量精度较高。

2. 使用5年后的三菱IGBT器件结壳热阻平均值较产品手册值略大，说明使用5年后的三菱IGBT器件内部结构散热性能稍有减弱。

3. IGBT器件涂覆导热硅脂会大幅降低器件底部和散热器的接触热阻，能提升器件散热性能，降低器件工作时IGBT和Diode芯片结温。

4. 使用5年的导热硅脂散热性能会略微降低，对应器件和散热器接触热阻会稍微增大。

参考文献

[1] 杜明星. 功率器件状态监测的关键问题研究[D]. 天津大学, 2012.

[2] 董少华. IGBT器件热可靠性的研究[D]. 山东大学, 2014.

[3] 吴昊. 功率器件封装热阻的仿真与测试研究[D]. 上海交通大学, 2013.