一种多管并联模组在功率循环测试中的热阻老化评估方法技术

本发明专利技术提供一种多管并联模组在功率循环测试中的热阻老化评估方法，包括：分别在各并联功率器件与散热器之间存在热界面材料与不存在热界面材料条件下，测量两条结温冷却曲线；根据瞬态双界面测试原理，将两条结温冷却曲线转化为两条积分结构函数曲线，两条积分结构函数曲线的分离点对应的横坐标即为多管并联模组的初始等效结

【技术实现步骤摘要】
一种多管并联模组在功率循环测试中的热阻老化评估方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
，具体地说，涉及到功率半导体器件可靠性测试领域，尤其涉及到一种多管并联模组在功率循环测试中的热阻老化评估方法。

技术介绍

[0002]目前，功率半导体器件已广泛应用于新能源发电、柔性直流输电、电力机车牵引和电动汽车等诸多领域。在众多应用中，功率半导体器件的长期安全可靠运行越来越成为了关注的焦点。功率循环测试是评估功率半导体器件可靠性最常用的加速老化试验，通过负载电流控制待测器件结温周期性的快速变化达到加速老化的效果，其测试结果在一定程度上可以反映真实工况下的可靠性。然而，目前大多功率循环的测试对象仅仅针对独立的单管或模块，所关注的失效位置也仅仅是器件内部的键合线和焊料层，而在实际应用中，例如电动汽车驱动器，功率半导体器件通常是通过导热硅脂等热界面材料固定在水冷散热器上，在这样具有多层结构的系统级模组装置中，各并联器件内部焊料层及外部导热硅脂的老化都会造成器件热阻增大，导致造成结温升高，从而加速器件老化，因此对于器件外部热界面材料热阻的老化评估同样重要。
[0003]通常对于器件内部焊料层或外部热界面材料的老化评估方法是监测其热阻的变化量，当热阻增大到一定程度时认为发生失效。目前，通过温敏电参数和热电偶分别获得结温及参考点温度从而计算热阻是目前最常用的功率器件热阻测量方法。现有文献中给热阻测试的规范，即在水冷散热器中距上表面2.5mm位置处开孔用并放置热电偶。但是，该方法只适用于对整体热阻的测量，并且对于无法放置热电偶的测试对象，例如多管并联模组，该热阻测试方法同样无法适用。此外，现有文献提出由于功率器件各结构层表面存在温度梯度，而热电偶只能测量某一点的温度，因此温度点的选取对测量结果有较大影响。可以看到，热电偶热阻测量方法存在较大的误差。针对该问题，现有文献提出了瞬态双界面热阻测量方法，虽然瞬态双界面热阻测量方法极大提高了热阻测量精度，但是该方法只能适用于单一结构层发生老化时的热阻退化评估，当有多个结构层发生老化时，该方法不再适用。现有文献还提出一种可以监测多层结构热阻变化的方法，即通过结构函数分析热量从功率模块内部芯片到环境传热过程中流径的所有结构的热阻和热容信息。然而，该方法测量结果的准确性依赖于积分结构函数曲线的斜率变化，由于受到测量误差及算法转换引入的噪声影响，会造成获得的结构函数曲线斜率变化存在一定误差，进而使得通过曲线斜率变化获取的多层结构热阻值与实际值之间存在一定误差。综上，目前没有准确的方法可以在功率循环测试过程中有效监测具有多层结构系统级模组的其中一层结构热阻退化状态。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供了一种适用于多管并联模组在功率循环测试中热阻老化的评估方法，该方法可以实现在功率循环测试中监测多个结构层的热阻退化状况，特别是功率半导体器件结
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壳等效热阻和热界面材料热阻。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种多管并联模组在功率循环测试中的热阻老化评估方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：分别在各并联功率器件与散热器之间存在热界面材料与不存在热界面材料条件下，测量两条结温冷却曲线；其中存在热界面材料时，热界面材料选择为高热导率材料，所述高热导率材料包括导热硅脂；不存在热界面材料时，各并联功率器件与散热器直接接触；
[0008]步骤二：根据瞬态双界面测试原理，将两条结温冷却曲线转化为两条积分结构函数曲线，两条积分结构函数曲线的分离点对应的横坐标即为多管并联模组的初始等效结
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壳热阻，纵坐标为结
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壳等效热容；
[0009]步骤三：对多管并联模组进行功率循环测试，并在功率循环测试中间隔一定的循环周期测量一次多管并联模组的结温冷却曲线并转化为积分结构函数曲线，所述积分结构函数曲线上垂直渐进线平移距离即为多管并联模组总热组的变化量；步骤二中获得的结
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壳等效热容与积分结构函数曲线交点的横坐标即为该功率循环周期中的结
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壳热阻值；
[0010]步骤四：功率的循环周期中所获得的结
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壳热阻值与初始结
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壳热阻值之差即为该循环周期各并联功率器件结
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壳热阻增量，总热阻增量与结
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壳热阻增量之差即为热界面材料热阻增量。
[0011]进一步地，所述的多管并联模组包括至少一相桥臂，每相上桥臂和下桥臂均为N个开关管并联，N为正整数；所述的多管并联模组中每相上、下桥臂的所有开关管均通过热界面材料固定于水冷散热器表面；其中热界面材料为单层或者多层，固定方式为直接固定焊接或烧结。
[0012]进一步地，所述开关管为碳化硅金属
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氧化物
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半导体场效应晶体管、SICMOS晶体管、绝缘栅双极性晶体管模块、IGBT模块或金属
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氧化物
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半导体场效应晶体管、MOS晶体管中的任一种。
[0013]进一步地，当多管并联模组中各并联功率器件与水冷散热器之间的热界面材料为多层结构时，通过改变第二层热界面材料，采用步骤一和步骤二测量结
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第一次热界面材料的初始热阻值；当需要在功率循环过程中评估具有多层热界面材料中各层材料的热阻退化状态时，通过步骤三和步骤四获取。
[0014]进一步地，当多管并联模组总热阻增量超过20％时停止功率循环测试。
[0015]相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0016]1、本专利技术提供的多管并联模组热阻测量方法以国际标准JESD51
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14为基础，测试结果具有较高的准确性，且无需在散热器中开孔放置热电偶。
[0017]2、本专利技术提供的多管并联模组热阻测量方法可在功率循环测试过程中监测具有多结构层的多管并联系统级模组各层热阻的退化情况，有利于进行产品的失效分析。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施，下面将对实施例需要的附图做简单的介绍：
[0019]图1为本专利技术的一种适用于多管并联模组在功率循环测试中热阻老化的评估方法的流程图；
[0020]图2为本专利技术中多管并联模组结构图；
[0021]图3为本专利技术中多管并联模组三相电路拓扑图；
[0022]图4为本专利技术中多管并联模组封装结构垂直剖面图；
[0023]图5a，图5b，图5c，图5d为本专利技术中多管并联模组改变热界面材料后的四种结构垂直剖面图；其中，图5a为结
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壳
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散热器结构图，图5b为结
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壳
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导热硅脂
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散热器结构图，图5c为结
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壳
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导热硅脂
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陶瓷片
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散热器结构图，图5d为结
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壳
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多管并联模组在功率循环测试中的热阻老化评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：分别在各并联功率器件与散热器之间存在热界面材料与不存在热界面材料条件下，测量两条结温冷却曲线；其中存在热界面材料时，热界面材料选择为高热导率材料，所述高热导率材料包括导热硅脂；不存在热界面材料时，各并联功率器件与散热器直接接触；步骤二：根据瞬态双界面测试原理，将两条结温冷却曲线转化为两条积分结构函数曲线，两条积分结构函数曲线的分离点对应的横坐标即为多管并联模组的初始等效结
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壳热阻，纵坐标为结
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壳等效热容；步骤三：对多管并联模组进行功率循环测试，并在功率循环测试中间隔一定的循环周期测量一次多管并联模组的结温冷却曲线并转化为积分结构函数曲线，所述积分结构函数曲线上垂直渐进线平移距离即为多管并联模组总热组的变化量；步骤二中获得的结
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壳等效热容与积分结构函数曲线交点的横坐标即为该功率循环周期中的结
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壳热阻值；步骤四：功率的循环周期中所获得的结
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壳热阻值与初始结
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壳热阻值之差即为该循环周期各并联功率器件结
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壳热阻增量，总热阻增量与结
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壳热阻增量之差即为热界面材料热阻增量。2.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏兆阳，王佳宁，於少林，江溢洋，
申请(专利权)人：合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽省能源实验室，
类型：发明
国别省市：