一種功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量方法及測(cè)量夾具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量方法及測(cè)量夾具，包括：繪制器件電學(xué)參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系曲線；繪制器件殼表面與散熱器間涂有液態(tài)金屬時(shí)的瞬態(tài)熱阻抗曲線；對(duì)瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算得到器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)；對(duì)照積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，求取接觸熱阻值。測(cè)試夾具由三塊水平方向基板和兩根豎直方向立柱組成；在上基板和中基板間縱向?qū)ΨQ設(shè)有絕緣板和散熱基板；在中基板和下基板間依次安裝有壓力均布裝置、傳感器、壓力維持板和壓力施加裝置；本發(fā)明提供的測(cè)量方法消除了因熱電偶帶來(lái)的測(cè)量誤差，測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠，測(cè)量方法簡(jiǎn)便高效。
【專利說(shuō)明】
一種功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量方法及測(cè)量夾具
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電力半導(dǎo)體器件熱阻測(cè)量領(lǐng)域，具體講涉及一種功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部 接觸熱阻測(cè)量方法及其測(cè)試夾具。
【背景技術(shù)】
[0002] 諸如晶體管、IGBT、IGCT、GT0等一類壓接型功率半導(dǎo)體器件，由于具有功率密度 大、雙面散熱、易于串聯(lián)以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)己逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高壓直流輸電 (HVDC)、電力機(jī)車等高電壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)合。
[0003] 衡量半導(dǎo)體器件散熱性能重要標(biāo)準(zhǔn)的熱阻是半導(dǎo)體器件最重要的一種參數(shù)，器件 的熱阻值反映了半導(dǎo)體器件功率密度的提升和結(jié)構(gòu)的緊湊化。對(duì)于半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠商而 言，熱阻值的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)減小器件熱阻，以及指導(dǎo)用戶充分利用器件的各方 面特性具有非常重要的意義。高壓大功率器件封裝形式的壓接型IGBT器件內(nèi)部由多個(gè)組件 直接接觸，組件間存在的接觸熱阻極大地影響了器件的散熱性能，因此準(zhǔn)確測(cè)量壓接型 IGBT器件內(nèi)部各個(gè)組件間的接觸熱阻對(duì)于優(yōu)化器件內(nèi)部，減小器件熱阻具有非常重要的意 義。
[0004] 目前還沒(méi)有針對(duì)壓接型IGBT器件內(nèi)部接觸熱阻進(jìn)行測(cè)量的相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)，且現(xiàn) 有技術(shù)中所有的接觸熱阻測(cè)量技術(shù)都是針對(duì)半導(dǎo)體器件外部與接觸材料間接觸熱阻的測(cè) 量以及兩個(gè)接觸材料間接觸熱阻的測(cè)量等。常規(guī)接觸熱阻的測(cè)量方法有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法， 典型的穩(wěn)態(tài)法中對(duì)接觸面的溫差數(shù)據(jù)采用線性外推，可以獲得接觸熱阻，但是溫差線性外 推法只有在接觸面溫差較大時(shí)數(shù)據(jù)才是可靠的，而且準(zhǔn)確地測(cè)量半導(dǎo)體器件和接觸材料間 的接觸面溫差是非常困難的。瞬態(tài)法中應(yīng)用最廣泛的光熱法，通過(guò)測(cè)量遇到界面后的熱波 (形變波)與調(diào)制波的相位差(波幅值的衰減)獲得接觸熱阻，但在測(cè)量過(guò)程中接觸界面導(dǎo)致 熱波在接觸處發(fā)生的漫射會(huì)破壞其相位關(guān)系，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。
[0005] 壓接型IGBT器件內(nèi)部組件數(shù)量多，且每個(gè)組件的面積大、厚度薄，傳統(tǒng)的熱電偶法 測(cè)量界面間的溫差是不可行的：一方面是因?yàn)榻M件厚度非常薄，熱電偶無(wú)法安置;另一方面 組件的面積比較大，難以保證測(cè)量的溫度是最大溫度，最重要的是界面間的接觸熱阻不僅 與壓力有關(guān)，還與溫度、表面粗糙度等也有關(guān)系，且通過(guò)同種材料等效測(cè)量很難滿足粗糙度 和實(shí)際工況的要求，測(cè)量結(jié)果有很大的誤差。瞬態(tài)法對(duì)于壓接型IGBT器件內(nèi)部組件接觸熱 阻的測(cè)量精度也會(huì)產(chǎn)生誤差，因?yàn)槠骷?nèi)部組件間接觸界面通過(guò)的大電流會(huì)對(duì)形變波產(chǎn)生 沖擊。
[0006] 鑒于目前接觸熱阻測(cè)量方法的局限性，本發(fā)明提供了一種壓接型功率半導(dǎo)體器件 內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量方法和測(cè)試夾具，測(cè)量精度大大提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，精確測(cè)量半導(dǎo)體器件內(nèi)部的接觸熱阻，本發(fā)明提供一種 壓接型功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量方法。
[0008] 本發(fā)明提供的接觸熱阻測(cè)量方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法包括以下步驟：
[0009] 步驟S1:繪制器件電學(xué)參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系曲線；
[0010] 步驟S2:繪制器件殼表面與散熱基板間涂敷有液態(tài)金屬時(shí)的瞬態(tài)熱阻抗曲線；
[0011] 步驟S3:繪制器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)的圖像；
[0012] 步驟S4:確定接觸熱阻值。
[0013] 本發(fā)明提供的第一優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟S1中，包括：
[0014] (1)將用測(cè)量夾具固定的試件放入恒溫箱中；
[0015] ⑵給試件輸入感應(yīng)電流Isense，使器件產(chǎn)生結(jié)壓降
[0016] (3)升高恒溫箱溫度到指定溫度，采集自然降溫過(guò)程中的結(jié)壓降信息，繪制結(jié)溫Tj 與結(jié)壓降Vm的變化關(guān)系曲線。
[0017] 本發(fā)明提供的第二優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟S2中，包括：
[0018] (1)用兩個(gè)散熱基板夾持試件，在器件殼與所述夾持的散熱基板間涂敷液態(tài)金屬， 并對(duì)試件施加工作壓力F;
[0019] (2)給試件通入加熱功率為P的加熱電流Idrive直至內(nèi)部結(jié)溫達(dá)到熱平衡后，切換到 感應(yīng)電流I sense ；
[0020] (3)測(cè)量結(jié)壓降Vce，由步驟S1得到的結(jié)溫L與結(jié)壓降Vce的變化關(guān)系，得結(jié)溫Tj;
[0021] (4)按下式（1)繪制器件的瞬態(tài)熱阻抗曲線zth-jc:
(1)
[0023]其中，Tj(t):各個(gè)時(shí)刻的結(jié)溫;Tc: t = 0時(shí)刻試件的結(jié)溫Tj，即試件的殼溫Tc。
[0024]本發(fā)明提供的第三優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟S3中，繪制圖像的過(guò)程包括：
[0025] (1)對(duì)瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行數(shù)值求導(dǎo)得導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線
[0026] (2)對(duì)導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)行數(shù)值反卷積計(jì)算得器件的時(shí)間常數(shù)譜R(z);
[0027] (3)將試件的時(shí)間常數(shù)譜離散化得到阻容網(wǎng)絡(luò)Foster模型，同時(shí)轉(zhuǎn)換為Cauer熱網(wǎng) 絡(luò)模型；
[0028] (4)根據(jù)Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型得到結(jié)構(gòu)函數(shù)。
[0029]本發(fā)明提供的第四優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟S3的步驟(1)中，中間變量a(z)如下式 (2)所示：
[0030] a(z) = Zth-jc(t = exp(z)) (2)
[0031 ] 其中，z = ln(t)，a(z) =Zth-jjt)，；Zth-扣⑴:試件的瞬態(tài)熱阻抗曲線。
[0032]本發(fā)明提供的第五優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟S3的步驟(2)中，所述器件的時(shí)間常數(shù) 譜R(z)如下式(3)所示：
(3)
[0034] 其中，wz(z) = exp[z_exp(z)]，wz(z)為中間變量；^反卷積計(jì)算的運(yùn)算符號(hào)。
[0035] 本發(fā)明提供的第六優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟S3的步驟(3)中，離散化得到的阻容網(wǎng) 絡(luò)模型Foster模型由下式(4)所示的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到如下Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型： (4)
[0037]其中：S為拉普拉斯算子;Cl、C2、…Cn分別代表每層材料的熱容;Rl、R2、…Rn分別代 表每層材料的熱阻。
[0038]本發(fā)明提供的第七優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟S3的步驟(4)中，由所述Cauer熱網(wǎng)絡(luò) 模型得到下式(5)所示的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)C(R)表示的熱阻與熱容的關(guān)系式：
[0039] c(R)=c ? P ? k ? A2 ? R (5)
[0040] 其中，R為器件的熱阻[K/W] ;A為材料的橫截面積[m2] ;k為材料的熱導(dǎo)率[W/(m* K) ]; c為材料的比熱容[J/ (kg*K) ]，P為材料密度[kg/m3 ];
[0041] 將熱容對(duì)熱阻進(jìn)行微分，得到下式(6)所示的試件微分結(jié)構(gòu)函數(shù)表示式P(R):
C6)
[0043] 其中，R為器件的熱阻[K/W] ;A為材料的橫截面積[m2] ;k為材料的熱導(dǎo)率[W/(m* K) ]; c為材料的比熱容[J/ (kg*K) ]，P為材料密度[kg/m3 ]。
[0044] 本發(fā)明提供的第八優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟S4中，結(jié)合積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu) 函數(shù)的圖像求取接觸熱阻值。
[0045] 本發(fā)明提供的一種半功率器件內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量方法所用的測(cè)量夾具，所述測(cè)量 夾具由水平方向基板和豎直方向立柱連接而成；
[0046] 所述基板包括上基本、中基板和下基板;所述上基板和所述中基板間兩端的水平 方向分別設(shè)有絕緣板和散熱基板；
[0047]所述中基板和下基板間依次安裝有壓力均布裝置、傳感器、壓力維持板和壓力施 加裝置；
[0048] 所述壓力均布裝置依次包括半球面和安裝有碟簧的導(dǎo)柱；
[0049] 所述壓力施加裝置依次包括頂桿和安裝有顯示儀表的基座；
[0050] 所述立柱穿過(guò)所述上基板和所述下基板;分別在所述上基板和所述下基板兩側(cè)設(shè) 置螺母，以固定所述上基板和下基板；
[0051]所述壓力維持板下側(cè)設(shè)置螺母，以固定所述壓力維持板；
[0052]所述散熱基板左右兩側(cè)分別設(shè)置冷卻系統(tǒng)接口和直流母排接口。
[0053]與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明具有以下優(yōu)異效果：
[0054] 1、本發(fā)明提供的的技術(shù)方案使用測(cè)量夾具將半導(dǎo)體器件放置在夾具的散熱基板 間，可方便的測(cè)量參數(shù)、繪制瞬態(tài)熱阻抗曲線，進(jìn)而推導(dǎo)出壓接型IGBT器件內(nèi)部各組件間接 觸熱阻值。
[0055] 2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案通過(guò)測(cè)量夾具測(cè)量接觸界面溫度，消除了因熱電偶帶來(lái) 的所有測(cè)量誤差，也完全避免了熱電偶測(cè)量過(guò)程中熱電偶無(wú)法放置的問(wèn)題。
[0056] 3、本發(fā)明提供的技術(shù)方案直接借用壓接型IGBT器件熱阻測(cè)量夾具即可滿足器件 內(nèi)部接觸熱阻的測(cè)量，不需要額外制作接觸熱阻測(cè)試夾具，提高測(cè)量效率。
[0057] 4、本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以同時(shí)測(cè)量器件內(nèi)部多層接觸界面的接觸熱阻值，通 過(guò)調(diào)節(jié)外部施加的壓力，還可以方便的測(cè)量不同壓力條件下接觸界面間的接觸熱阻；
[0058] 5、本發(fā)明提供的技術(shù)方案真實(shí)可靠地測(cè)量了器件工作時(shí)器件內(nèi)部組件間的接觸 熱阻值，測(cè)試過(guò)程對(duì)器件沒(méi)有損壞。
【附圖說(shuō)明】
[0059] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中高壓大功率器件封裝示意圖；
[0060] 圖2為本發(fā)明提供的半導(dǎo)體器件內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量夾具示意圖；
[0061] 圖3為本發(fā)明提供的技術(shù)方案的瞬態(tài)熱阻抗曲線測(cè)量電路圖；
[0062] 圖4為本發(fā)明提供的技術(shù)方案的瞬態(tài)熱阻抗曲線測(cè)量時(shí)序圖；
[0063]圖5為本發(fā)明提供的技術(shù)方案的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型變換過(guò)程示意圖；
[0064]圖6為本發(fā)明提供的技術(shù)方案中積分結(jié)構(gòu)函數(shù)的曲線圖；
[0065]圖7為本發(fā)明提供的技術(shù)方案中確定接觸熱阻值的曲線圖。
[0066] 其中，11-上基板、12-中基板、13-下基板、21-立柱、22-螺母、3-壓力維持板、4-壓 力施加裝置、41-基座、42-頂桿、43-顯示儀表、5-壓力均布裝置、51-導(dǎo)柱、52-碟簧、53-半球 面、61-冷卻系統(tǒng)接口、62-直流母排接口、63-散熱基板、631-上散熱基板、632-下散熱基板、 7_絕緣板、8-傳感器、91 -器件殼上表面、92-器件殼下表面。
【具體實(shí)施方式】
[0067]為更詳細(xì)的說(shuō)明本發(fā)明提供的技術(shù)方案中的測(cè)量方案，下面將結(jié)合說(shuō)明書附圖和 具體實(shí)施方案對(duì)其做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0068]現(xiàn)有的IGBT壓接器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，依次包括集電極、集電極側(cè)鉬片、 硅芯片、發(fā)射極側(cè)鉬片、墊片、基座和發(fā)射極，包含的內(nèi)部組件數(shù)量多，且面積相對(duì)較大且各 器件的厚度薄，為mm級(jí)，為保證對(duì)IGBT壓接器件內(nèi)部接觸熱阻的精確測(cè)量，又不會(huì)損害器件 的完整性和優(yōu)良性能，本發(fā)明測(cè)量?jī)?nèi)部接觸熱阻使用一種測(cè)量夾具，確保器件的均由受力， 且測(cè)量數(shù)據(jù)精確度高。
[0069] 本發(fā)明提供的測(cè)量方法使用的測(cè)量夾具包括所述測(cè)量夾具如圖2所示，由三炔基 板和兩根立柱21組成；
[0070] 在上基板11和中基板12間對(duì)稱設(shè)有絕緣板7和散熱基板63組成的安裝試件的空 間；散熱基板63包括上散熱基板631和下散熱基板632;散熱基板上設(shè)置有冷卻系統(tǒng)接口 614 和直流母排接口 62的正極和負(fù)極。
[0071]在中基板12和下基板13間依次安裝有壓力均布裝置5、傳感器8、壓力維持板3和壓 力施加裝置4;
[0072]所述壓力均布裝置5依次包括半球面53和安裝有碟簧52的導(dǎo)柱51;
[0073]所述壓力施加裝置4依次包括頂桿42和安裝有顯示儀表43的基座41;
[0074]壓力均布裝置設(shè)置在壓力維持板3的上方中間位置，壓力施加裝置4對(duì)應(yīng)于壓力均 布裝置5的導(dǎo)柱中心設(shè)置于壓力維持板3下方；
[0075]上基板、下基板和立柱連接位置的上下方均設(shè)置有螺母22,壓力維持板的下方設(shè) 置有螺母22。
[0076]通過(guò)調(diào)節(jié)螺母的高度調(diào)節(jié)施加給試件的工作壓力F，顯示儀表精確顯示工作壓力 F，施加給壓力維持板的壓力將壓力分散施加給壓力均布裝置5,確保試驗(yàn)過(guò)程中施加承受 的壓力不會(huì)隨時(shí)間改變。
[0077] 本發(fā)明提供一種壓接型功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量方法，所述的測(cè)量方法 主要包括：
[0078] 1、測(cè)量器件電學(xué)參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系曲線，間接得到器件的結(jié)溫。
[0079] (1)將被測(cè)壓接型功率半導(dǎo)體器件（以下簡(jiǎn)稱被測(cè)器件)與相應(yīng)的測(cè)量夾具系統(tǒng)一 并放入一個(gè)恒溫箱中，給被測(cè)器件輸入一個(gè)很小的感應(yīng)電流I sense，使得器件產(chǎn)生一定的結(jié) 壓降Vce，感應(yīng)電流的大小需要滿足既能使器件產(chǎn)生一定的結(jié)壓降，又不會(huì)使器件發(fā)生明顯 的發(fā)熱。
[0080] (2)將恒溫箱溫度升高到指定溫度，開(kāi)始自然降溫，降溫的過(guò)程中每降5度采集一 次電學(xué)參數(shù)值結(jié)壓降V ce，得到被測(cè)器件結(jié)溫L與電學(xué)參數(shù)的變化關(guān)系，對(duì)于硅基半導(dǎo)體器 件，由于材料特性以及器件的屬性使得器件的結(jié)溫與結(jié)壓降近似為線性關(guān)系；
[0081] (3)在熱阻測(cè)試過(guò)程中只需要測(cè)量電學(xué)參數(shù)結(jié)壓降Vce即可轉(zhuǎn)換得到器件每個(gè)時(shí)刻 的結(jié)溫Tj。
[0082] 2、測(cè)量器件殼表面與散熱器間直接接觸時(shí)的瞬態(tài)熱阻抗曲線Zth-jc(di rect)(t)。
[0083] (1)通過(guò)如圖2所示的壓接型半導(dǎo)體器件測(cè)量夾具，將被測(cè)器件夾在兩個(gè)散熱基板 之間，器件殼上表面91與上散熱基板631之間涂一層高導(dǎo)電和高導(dǎo)熱的合金液態(tài)金屬以降 低接觸界面間的接觸熱阻。測(cè)量單面散熱熱阻時(shí)，在器件殼下表面92與下散熱基板632間添 加一個(gè)絕熱層，利用測(cè)量夾具給被器件施加相應(yīng)的工作壓力F;
[0084] (2)如圖3的測(cè)量電路所示，給被測(cè)器件通入加熱功率為P的加熱電流Idrive使器件 發(fā)熱，當(dāng)器件內(nèi)部結(jié)溫Tj達(dá)到熱平衡后，將外部加熱電流Idrive切換到感應(yīng)電流Isense，如圖4 的測(cè)量時(shí)序圖所示，由于感應(yīng)電流很小，器件幾乎不會(huì)產(chǎn)生熱量，所以器件內(nèi)部結(jié)溫開(kāi)始下 降，此時(shí)測(cè)量器件兩端各個(gè)時(shí)刻的結(jié)壓降Vm，再通過(guò)步驟1的電學(xué)參數(shù)結(jié)壓降與結(jié)溫的關(guān)系 即可得到器件各個(gè)時(shí)刻的結(jié)溫當(dāng)t = 0時(shí)刻沒(méi)有加熱電流Idrlve，所以認(rèn)為器件的結(jié)溫Tj 就是器件的殼溫T。，則可通過(guò)下述公式（1)得到器件的瞬態(tài)熱阻抗曲線Z th。
(1)
[0086] 其中Tj (t):結(jié)溫;P:加熱功率;Tj (t = 0): t = 0時(shí)刻沒(méi)有加熱電流Idrive的結(jié)溫Tj (t)即為殼溫Tc。
[0087] 3、對(duì)瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算得到器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)。
[0088] (1)對(duì)步驟2中得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行變量代換，再進(jìn)行數(shù)值求導(dǎo)，得到瞬態(tài) 熱阻抗曲線的導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線da( z) /dz:
[0089] 令z = ln(t)，a(z) =Zth-jc(t)，則所述a(z)如下式(2)所示：
[0090] a(z) = Zth-jc(t = exp(z)) (2)
[0091 ]其中，a (z)為中間變量;Zth-j。(t)代表器件瞬態(tài)熱阻抗。
[0092] (2)對(duì)瞬態(tài)熱阻抗曲線的導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線da(z)/dz進(jìn)行如公式（3)所示的數(shù)值反卷 積計(jì)算，得到器件的時(shí)間常數(shù)譜R(z):
(3)
[0094]其中，'?2(2)=61口[2-61口(2)]，'\￥2(2)為中間變量；(^ _1:反卷積計(jì)算的運(yùn)算符號(hào)。
[0095] (3)將器件的時(shí)間常數(shù)譜R(z)進(jìn)行離散化可得到器件的祖榮網(wǎng)絡(luò)模型Foster模 型，通過(guò)如公式(4)所示的Foster熱網(wǎng)絡(luò)與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將Foster熱網(wǎng)絡(luò) 轉(zhuǎn)換為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型：
⑷
[0097]其中：S為拉普拉斯算子;Cl、C2、…Cn分別代表每層材料的熱容;Rl、R2、…Rn分別代 表每層材料的熱阻。
[0098] (4)通過(guò)器件的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型得到器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)C(R) = f(R)，即熱阻與 熱容的關(guān)系。器件的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型和積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示，Cauer熱 網(wǎng)絡(luò)模型中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱阻Rthi和熱容Cthi與積分結(jié)構(gòu)函數(shù) 對(duì)應(yīng)，其中橫軸為熱阻，縱 軸表不熱容，其中馬5> = = Sf=iCtM。所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)C(R)由下式（5) 所示：
[0099] c(R)=c ? P ? k ? A2 ? R (5)
[0100] 其中，R為器件的熱阻[K/W] ;A為材料的橫截面積[m2] ;k為材料的熱導(dǎo)率[W/(m* K) ]; c為材料的比熱容[J/ (kg*K) ]，P為材料密度[kg/m3 ];
[0101] 將熱容對(duì)熱阻進(jìn)行微分即可得到器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)p(R)=dC/dR，具體的微分 結(jié)構(gòu)函數(shù)由下式(6)表示：
(6)
[0103] 其中，R為器件的熱阻[K/W] ;A為材料的橫截面積[m2] ;k為材料的熱導(dǎo)率[W/(m* K) ]; c為材料的比熱容[J/ (kg*K) ]，P為材料密度[kg/m3 ]。
[0104] 4、通過(guò)器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)的對(duì)比得到半導(dǎo)體器件內(nèi)部每層接 觸界面的接觸熱阻值。
[0105] 積分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，器件中相同截面積的同一種材料的熱容與熱阻是線性關(guān)系，具 有一個(gè)固定的斜率，當(dāng)熱量經(jīng)過(guò)器件中同一材料的不同截面積或不同材料時(shí)，斜率就會(huì)發(fā) 生變化，即每個(gè)不同斜率代表不同材料或不同截面積；
[0106] 微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，幅值K與器件的材料參數(shù)和幾何參數(shù)有關(guān)，與器件的熱阻值沒(méi)有 關(guān)系，圖中的峰值點(diǎn)即是器件中不同材料或不同截面積的交界處，可以通過(guò)峰值點(diǎn)來(lái)判別 器件內(nèi)部不同的材料的分界點(diǎn)。
[0107] 如圖7所示為積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)在相同的坐標(biāo)系中的曲線圖，由對(duì)比 積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)的曲線得到材料層的接觸熱阻。
[0108] 微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中的1和2分別代表不同的材料(材料1和材料2)的分界處，所以微分 結(jié)構(gòu)函數(shù)中1和2之間為同一層材料，即紅線1和藍(lán)線3之間包括熱阻值Rl+Rc，而積分結(jié)構(gòu)函 數(shù)中的1和2分別代表兩層不同材料，紅線1和紅線2之間代表同一層材料1，熱阻值為R1，所 以紅線2和藍(lán)線3之間即為材料1與材料2間的接觸熱阻值Rc，同理可以確定其他材料層間的 接觸熱阻值。
[0109]通過(guò)熱阻測(cè)量夾具改變器件所施加的外部壓力，可以得到不同壓力條件下不同接 觸界面間的接觸熱阻值，可快速準(zhǔn)確的測(cè)量壓接型半導(dǎo)體器件內(nèi)部各接觸面不同壓力條件 下的接觸熱阻值。
[0110]最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其保護(hù)范圍 的限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解:本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀本申請(qǐng)后依然可以對(duì)申請(qǐng)的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行種種變更、修改 或者等同替換，但這些變更、修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部接觸熱阻測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括W下步驟： 步驟Sl:繪制器件電學(xué)參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系曲線； 步驟S2:繪制器件殼表面與散熱基板間涂敷有液態(tài)金屬時(shí)的瞬態(tài)熱阻抗曲線； 步驟S3:繪制器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)的圖像； 步驟S4:確定試件內(nèi)部接觸熱阻值。2. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟Sl中，包括： (1) 將用測(cè)量夾具固定的試件放入恒溫箱中； (2) 給試件輸入感應(yīng)電流Isense,使器件產(chǎn)生結(jié)壓降Vce; (3) 升高恒溫箱溫度到指定溫度，采集自然降溫過(guò)程中的結(jié)壓降信息，繪制結(jié)溫L與結(jié) 壓降Vce的變化關(guān)系曲線。3. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S2中，包括： (1) 用兩個(gè)散熱基板夾持試件，在器件殼與所述夾持的散熱基板間涂敷液態(tài)金屬，并對(duì) 試件施加工作壓力F; (2) 給試件通入加熱功率為P的加熱電流Idrive直至內(nèi)部結(jié)溫達(dá)到熱平衡后，切換到感應(yīng) 電流Isense ; (3) 巧慢結(jié)壓降Vce,由步驟Sl得到的結(jié)溫L與結(jié)壓降Vce的變化關(guān)系，得結(jié)溫Tj; (4) 按下式（1)繪制器件的瞬態(tài)熱阻抗曲線Zth-jc:(1) 其中，Tj (t):各個(gè)時(shí)刻的結(jié)溫;Tc: t = O時(shí)刻試件的結(jié)溫Tj，即試件的殼溫Tc。4. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3中，繪制圖像的過(guò)程包括： (1) 對(duì)瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行數(shù)值求導(dǎo)得導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線 dz (2) 對(duì)導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)行數(shù)值反卷積計(jì)算得器件的時(shí)間常數(shù)譜R(Z); (3) 將試件的時(shí)間常數(shù)譜離散化得到阻容網(wǎng)絡(luò)化Ster模型，同時(shí)轉(zhuǎn)換為化Uer熱網(wǎng)絡(luò)模 型； (4) 根據(jù)Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型得到結(jié)構(gòu)函數(shù)。5. 如權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3的步驟（1)中，中間變量a(Z) 如下式(2)所示： a(z)=Zth-jc(t = exp(z)) (2) 其中，z = ln(t)，a(z)=Zth-jc(t)，；Zth-jc(t):試件的瞬態(tài)熱阻抗曲線。6. 如權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3的步驟(2)中，所述器件的時(shí) 間常數(shù)譜3^)如了^八、》^^- (3) 其中，wz(z)=exp[z-e邱^)]，聽(tīng)^)為中間變量;0^;反卷積計(jì)算的運(yùn)算符號(hào)。7. 如權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3的步驟(3)中，離散化得到的 阻容網(wǎng)絡(luò)模型化Ster模型由下式(4)所示的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到如下化Uer熱網(wǎng)絡(luò)模型： (4) 其中：S為拉普拉斯算子;Cl、C2、一Cn分別代表每層材料的熱容;Rl、R2、一Rn分別代表每 層材料的熱阻。8. 如權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3的步驟(4)中，由所述Cauer 熱網(wǎng)絡(luò)模型得到下式(5)所示的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)C(R)表示的熱阻與熱容的關(guān)系式： C(R) = C ? P ? k ? A2 ? R (5) 其中，R為器件的熱阻比/W] ;A為材料的橫截面積[m2] ;k為材料的熱導(dǎo)率[W/(m*K)]; C為材料的比熱容[J/ (kg*K) ]，P為材料密度比g/m3 ]; 將熱容對(duì)熱阻進(jìn)行微分，得到下式(6)所示的試件微分結(jié)構(gòu)函數(shù)表示式P(R):(6) 其中，R為器件的熱阻比/W] ;A為材料的橫截面積[m2] ;k為材料的熱導(dǎo)率[W/(m*K)]; C為材料的比熱容[J/ (kg*K) ]，P為材料密度比g/m3 ]。9. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S4中，結(jié)合積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微 分結(jié)構(gòu)函數(shù)的圖像求取試件內(nèi)部接觸熱阻值。10. -種如權(quán)利要求1-9任一權(quán)利要求所述的測(cè)量方法所用的測(cè)量夾具，其特征在于， 所述測(cè)量夾具由水平方向基板和豎直方向立柱連接而成； 所述基板包括上基本、中基板和下基板;所述上基板和所述中基板間兩端的水平方向 分別設(shè)有絕緣板和散熱基板； 所述中基板和下基板間依次安裝有壓力均布裝置、傳感器、壓力維持板和壓力施加裝 置； 所述壓力均布裝置依次包括半球面和安裝有碟黃的導(dǎo)柱； 所述壓力施加裝置依次包括頂桿和安裝有顯示儀表的基座； 所述立柱穿過(guò)所述上基板和所述下基板;分別在所述上基板和所述下基板兩側(cè)設(shè)置螺 母，W固定所述上基板和下基板； 所述壓力維持板下側(cè)設(shè)置螺母，W固定所述壓力維持板； 所述散熱基板左右兩側(cè)分別設(shè)置冷卻系統(tǒng)接口和直流母排接口。
【文檔編號(hào)】G01R31/26GK105911447SQ201610258361
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】鄧二平, 張朋, 趙志斌, 黃永章
【申請(qǐng)人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司, 華北電力大學(xué)