功率半导体器件热阻抗自动化测试及其控制策略

王保明

【摘要】随着电子信息技术的发展，半导体器件经历三代演变。半导体器件产业是衡量国家综合国力的重要产业，测试是贯穿于生产应用的产业。准确测量功率半导体器件特性参数是相应研究工作的关键。高效准确提取功率器件温度特性对电力电子系统可靠性研究具有重要意义，结合现有功率半导体器件热阻抗测试国际标准，提出新型系统控制策略，通过使用DSP控制器实现高效热阻抗测量，搭建实验样机验证控制方法有效性。

【关键词】功率半导体器件；热阻抗；自动化测试；控制策略

  随着信息技术的蓬勃发展，各类电子器件应用日益频繁，使得人们对半导体器件工作要求不断提高，人们希望半导体器件具备超高频等优异特性，传统半导体材料研制电子器件受到性质限制容易在超高频特性等方面达到物理极限。近年来第三代半导体材料迅速发展，以GaN为代表材料以超高稳定性等优势赢得科研人员的青睐。功率半导体器件是电子电力系统中易受损部件，分析电力电子系统半导体器件热行为具有重要意义。如何高效提取功率半导体器件热阻抗是急需解决的问题。国内外通过器件加热达到温度稳定，确定加热电流切断时刻，对热阻抗曲线动态部分结果影响大，提取过程存在较多人工干预。本文提出基于DSP的功率半导体器件热阻抗自动化测试方法，通过预加热缩短温度稳定时间。

1. 功率半导体器件热阻抗测量原理

  半导体器件产业是国家的支柱产业，测试贯穿于生产应用全过程。测试不能通过不能投入量产，封装后成品器件测试合格产品才能出厂使用，目前国内多数半导体分立器件厂家大多采用国外测试仪器，存在成本高等问题，研究半导体分立器件测试系统非常必要，研发多功能测试系统有助于提高自动化生产测试水平，利用技术设计制造稳定可靠的测试设备具有重要意义【1】。首先需要了解功率半导体器件热阻抗测量原理。

  功率半导体器件开关时产生损耗，表现为器件发热，器件散热形式包括辐射与对流，热传导是主要的散热形式，热阻抗包括热阻与热容，功率半导体器件热阻抗可等效为电热比模型Cauer,Foster模型为连锁数学等效模型。通过自动化测试方法测量得到动态热阻抗曲线，提取得到Foster模型各部分【2】。热阻抗测试要提取参数为器件部分温度，包括散热器温度Th等，为保证半导体器件热阻抗测试准确性，测温点位置应符合相关测量标准要求。现行功率半导体器件热阻抗测试国标为JESD51系列，功率半导体器件结温Tj为芯片区域最高温度，均匀加热在中心处；功率半导体器件壳温Tc应选取在芯片下器件基板表面；

散热器温度Th可选取功率半导体器件与散热器连接板迹线长边中心处测量；环境温度Ta通过安装热电偶测量。加热功率是测量功率半导体器件热阻抗曲线的重要参数，可通过器件加热过程提取，在器件温度上升中导通损耗等电气特性随温度变化。选取冷却过程提取热阻抗曲线需要足够加热时间，保证器件发热功率Ploss保持恒定，IGBT发热功率计算为Ploss=VceIh,Ih为通过IGBT流通加热电流，Vce为IGBT集-射极电压。结-壳热阻抗Zth(j-c)=[Tj(t)-Tj(0)]-[Tc(t)-Tc(0)]/Ploss,Tj(0)为稳态时结温，计算得到切断加热电流前稳态发热功率Ploss计算热阻抗动态曲线【3】。

2. 热阻抗自动化测试系统

   依据热阻抗测试国标MIL-STD-883G，确定温度测量点分布，功率半导体器件结温Tj研究主要使用光学与热敏电气法评估，考虑器件动态热阻抗提取需要快速变化测量温度，物理接触法光纤测温法保证较快响应速度【4】。结温测温位置选取芯片表面中央，功率半导体器件壳温Tc与结温Tj类似，为保证较快响应速度使用光纤温感器。壳温测量位置选取芯片正下方中心位置，竖直孔安装光纤易滑脱，可使用上大下小的孔配合三棒式光纤夹持安装，可从模块底板上埋入传感器测量芯片正下方温度。

  散热器温度Th变化较慢，使用热电偶测量，散热器温度测温点选取为接触板迹线长边中心，散热器温度测温点选取长边1/3位置【5】。环境温度Ta较为稳定，选取T型热电偶确保测量精度。将热电偶贴于冷却水入口处获得环境温度。可搭建功率半导体器件热阻抗自动化测试电路，T1为反并联二极管IGBT，恒流源为输出电流恒定电源，Ih测量为即热电流测量，Vce测量为功率半导体器件通过压降测量电路。S1开通功率半导体器件T1产生导通损耗，计算得到器件发热功率，DSP发出关断控制信号，加热电流快速切断，形成发热功率负阶跃。提出新型热阻抗测试系统，集成散热器功率电路包括功率器件驱动电路等，待测功率半导体器件通过导通损耗，测量电路测量结温，环境温度及保护系统运行相关参数。

                      表1 常见热电偶适用温度与测量精度

热电偶型号	最高适用温度℃	精度℃
K型	1000	±1.5
J型	750	±1.5
T型	300	±0.5

  直流电源为功率电路提供加热电流，集成散热器功率电路及直流电源构成功率电路。DSP控制器组成控制路与功率电路对应。DSP接收壳温等数据，温度稳定后DSP发出控制信号控制切断直流电源供电，温控系统与散热器构成温控散热器。新型热阻抗测试系统期望将温测精度精确值ms级，使用AD芯片可实现测量精度。AD芯片引入影响测量结果准确性，在DSP中对温度点多次采样，减小采样噪声的影响。热阻抗测试持续产生大量有效数据，新型热阻抗测试系统通过DSP通讯接口，为DSP节省大量资源用于自动化测试控制策略。由于动态热阻抗曲线时间尺度期望，提取切断时刻对瞬态热阻抗曲线产生影响。新型热阻抗测试系统通过DSP切断瞬间将切断时刻精确至1ms精度，相比人工确定切断时刻精度提高。

3. 实验结果分析验证

   基于DSP功率半导体器件热阻抗测试平台测量功率半导体模块为IGBT模块，DSP选用TI公司TMS320F28335。使用平台测量IGBT模块热阻抗曲线，25℃下测试，加热30min温度达到稳定。选取Tcl为壳温测量点，功率半导体器件在t1时刻切断，选取Tcl为壳温测量点，得到单个IGBT发热下IGBT模块结-壳热阻抗曲线。测量得到稳态结壳热阻抗为0.587℃/W,相同测试条件下重复测试提取得到结壳热阻抗曲线，不同时间多次实验结果保持一致。

20aver采用DSP多次采样取平均方法测量得到结果，采样噪声影响热阻抗曲线有较大毛刺，带来很大的尖刺抖动。分析切断时刻确定对结-壳热阻抗曲线影响，lag5ms曲线与lead5ms类似，lead5ms曲线在10-2℃/W 以下部分出现数据缺失，由于计算得到前面数据为0。Lag5ms曲线相较于normal曲线上移，由于计算结果偏差。装置将切断时刻精确至1ms精度提高秒级精度。传统测量方法测量达到温度稳态时间长，稳态耗时与多种因素相关。如不主动控制温控散热器温度稳态需1h，利用温控散热器辅助加热可缩减至30min左右提高实验效率。

结语

  功率半导体器件是电力电子交流器的核心部件，随着电力电子技术的发展，对功率半导体器件提出新的要求。随着功率器件向高电压智能化方向发展，准确测量热学参数对评估器件封装具有重要意义。热阻是功率器件的重要热学参数，功率器件很多电学参数变化与结温密切相关，热阻确定功率器件安全工作区等参数。本文结合半导体器件阻抗测量测试标准，提出热阻抗测试系统基于温控散热器，提出测试方法可提高功率半导体器件热阻抗测试效率，减少人工干预导致误差。测试平台对复杂工况下功率半导体器件热阻抗提取等研究具有重要意义，为研究散热器功率的影响提供理论借鉴。

参考文献

[1]常垚. 压接式功率半导体模块的机-热耦合机制及应力优化设计研究[D].浙江大学,2021.

[2]刘波,杨云霄,朱晔,马柯. 功率半导体模块的温控散热器设计方法[J]. 电源学报,2020,18(01):61-67.

[3]刘波,朱晔,杨云霄,马柯. 功率半导体器件热阻抗自动化测试及其控制策略[J]. 电源学报,2021,19(05):150-157.

[4]张学斌,吴洪江,张志国. 一种提取GaN功率HEMT器件热阻抗的方法[J]. 微波学报,2018,34(S2):321-325.

[5]邓二平. 压接型IGBT器件内部电—热—力多物理场耦合模型研究[D].华北电力大学(北京),2018.