阅读说明：本技术 压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法 (Method for measuring junction-shell thermal resistance of crimping type power semiconductor device ) 是由 王彦刚 齐放 李贺龙 王亚飞 李道会 戴小平 刘国友 于 2018-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法,包括以下步骤：步骤1.绘制器件电学参数结压降V<Sub>ce</Sub>与结温T<Sub>j</Sub>的关系曲线；步骤2.绘制器件壳表面与散热基板直接压接接触的第一瞬态热阻抗曲线Z<Sub>th-jc(direct)</Sub>(t)；步骤3.绘制器件壳表面与散热基板间添加第二接触层时的第二瞬态热阻抗曲线Z<Sub>th-jc(metal)</Sub>(t)；步骤4.绘制瞬态热阻抗分离点曲线；步骤5.确定器件结壳热阻。本发明的测量方法能够更便捷地更准确地测量压接式功率半导体器件结壳热阻。(The invention provides a method for measuring junction-shell thermal resistance of a crimping type power semiconductor device, which comprises the following steps: step 1, drawing junction voltage drop V of electrical parameters of a device ce Junction temperature T j The relationship curve of (1); step 2, drawing a first transient thermal impedance curve Z of the direct compression joint contact between the surface of the device shell and the heat dissipation substrate th‑jc(direct) (t); step 3, drawing a second transient thermal impedance curve Z when a second contact layer is added between the surface of the device shell and the heat dissipation substrate th‑jc(metal) (t); step 4, drawing a curve of the transient thermal impedance separation point; and 5, determining the junction-crust thermal resistance of the device. The measuring method can measure the junction-crust thermal resistance of the crimping type power semiconductor device more conveniently and more accurately.)

压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法

技术领域

本发明涉及一种结壳热阻测试方法，尤其涉及一种压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法。

背景技术

功率半导体器件中，有一类压接式封装结构，如晶体管、IGBT、GTO等。该类器件被广泛应用于电力系统高压输电、电力机车等高压、大功率的应用场合。该类封装具有双面封装、易于串联、可靠性高和功率密度大等优点。

在功率半导体器件特性中，其散热特性，即器件热阻是一个重要参数。热阻将直接决定了，功率半导体器件在应用环境下，所能承受的电流等级、电压等级和开关频率，以及所需的散热方式。针对功率半导体器件热阻的测试，JEDEC51-14标准提出了瞬态双界面法，将测量器件与散热器直接接触，然后再将器件与散热器采用导热硅脂接触，得到两组瞬态热阻抗曲线，对比两组曲线重叠部分和差异部分，其分离点可以准确反映出器件的结壳热阻值。

这种测量方法对与TO封装形式或焊接式半导体器件的热阻测量是方便可靠的，但压接型功率半导体器件的封装形式完全异于TO封装形式或焊接式半导体器件，压接型功率半导体器件能够实现双面散热，是通过器件两端的散热器给压接型半导体器件施加工作压力和电流，也即半导体器件的电流是通过散热器传导的。JEDEC51-14标准规定的试件与散热器间的安装紧固力为10N/cm²左右，因过大的压力会导致两条瞬态热阻抗曲线的分离不明显，很难得到准确的结壳热阻值，而压接型功率半导体器件正常工作时需要通过散热器施加的外部压力非常大，比如：压接型IGBT器件为1.2kN/cm²左右，此值远远大于标准中规定的器件与散热器间的压力值，因此最终可能导致错误的结果，所以上述热阻测试方法并不适用于测量压接型功率半导体器件结壳的热阻。

申请号为CN201310054317.9发明专利提供了一种结壳热阻测试方法，该发明在瞬态双界面法上提出了改进方法，分别测量干接触和湿接触条件下待测半导体器件的芯片的瞬态降温曲线，使干接触和湿接触两种测试条件下的待测器件结壳的温度分布基本一致，从而避免了材料非线性导致的瞬态热阻抗曲线提前分离，以能够得到更为准确的热阻测试结果。但是，该发明依旧是针对于TO封装和焊接式器件的测试方法，无法解决压接式模块中在测试中面临的挑战问题。

申请号为CN201610258586.0的发明专利提供了一种压接型功率半导体器件结到壳热阻测量方法和测量夹具，该发明设计的测量夹具满足了压接式模块热阻采用瞬态双界面法的测量要求。但是，所涉及的测量夹具较为复杂，同时所提的液态金属材料不易于获取，且获得的瞬态热阻抗曲线的分离点不易判定。

鉴于现有的压接式功率半导体器件热阻的测量方法的不足，需要提出一种更便捷地更准确地压接式器件热阻测量的改进方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可以更便捷地更准确地测量压接式功率半导体器件结壳热阻的方法。

本发明的压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法，包括以下步骤：

步骤1.绘制器件电学参数结压降V_ce与结温T_j的关系曲线；

步骤2.绘制器件壳表面与散热基板直接压接接触的第一瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)；

步骤3.绘制器件壳表面与散热基板间添加第二接触层时的第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)；

步骤4.绘制瞬态热阻抗分离点曲线；

步骤5.确定器件结壳热阻。

进一步的，所述第二接触层具备良好的导电能力和不良的导热特性，可以采用具有良好的导电能力和不良的导热特性材料制备。

更进一步的，所述第二接触层为金属层。优选的，第二接触层可以采用铁、铝、铜、钼等金属或合金等材料制备。

进一步的，所述第二接触层为网状、孔状或是海绵状结构，在满足其导电能力的同时尽量提高其热阻。

进一步的，所述第二接触层的面积与压接式功率半导体器件需要导电导热的接触部分面积相等。

进一步的，所述第二接触层具备良好的机械性能，满足压接器件的安装要求，即可以满足承受外部压力为1.2kN/cm²左右的要求。

优选的，所述金属层的表面设置为均匀分布的通孔结构。

进一步的，在所述步骤2中，采用以下公式计算第一瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)：

其中，T_j(t)表示各个时刻的结温；T_c表示t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

进一步的，在所述步骤2中，采用以下公式计算第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)：

其中，T_j(t)表示各个时刻的结温；T_c表示t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

与现有技术相比，本发明的压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法，具有以下优点：

1.本发明的压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法，满足JEDEC51-14测试标准，能够准确地提取瞬态热阻抗曲线分离点，确定结壳热阻值，并适用于传统的热阻测试标准，无需重新购置设备或是设计夹具。

2.本发明的压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法中所需要的第二接触层材料选择性广泛，易于获得，其结构也容易制备。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明的压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法的流程图；

图2是带有第二接触层时的第二瞬态热阻抗曲线测量结构示意图；

图3为图2所示的第二接触层为金属层时的结构示意图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

图中，附图标记为：

1、压接式功率半导体器件；2、特殊接触层；3、散热基板；4、外部压力。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明的压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法，包括以下步骤：

步骤1.绘制器件电学参数结压降V_ce与结温T_j的关系曲线；

步骤2.绘制器件壳表面与散热基板直接压接接触的第一瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)；

其中，第一瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)采用下式计算：

其中，T_j(t)表示各个时刻的结温；T_c表示t＝0时刻试件的结温T_j，即试件的壳温T_c。

步骤3.绘制器件壳表面与散热基板间添加第二接触层时的第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)；

第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)采用下式计算：

其中，绘制器件壳表面与散热基板间添加第二接触层时的第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)时，第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)与步骤2中第一瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)的测量类似，与步骤2中相比，只改变压接式功率半导体器件1壳表面与散热基板3之间的接触条件，其他所有条件保持一致，尤其是两次测量时压接式功率半导体器件施加的外部压力一定要保持严格一致性，最终得到第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)。

步骤4.绘制瞬态热阻抗分离点曲线；

器件壳表面与上散热基板3间添加一层第二接触层，以等效增加器件壳表面与上散热基板3间的接触热阻，而并不改变器件内部的热阻值，从而使得第二次测量得到的第二瞬态热阻抗曲线在器件壳表面发生很大的变化，与第一次测量得到的第一瞬态热阻抗曲线在器件壳表面产生明显的分离；对两条瞬态热阻抗曲线进行数学处理得到瞬态热阻抗分离点曲线。

步骤5.确定器件结壳热阻。

通过分离点判据确定瞬态热阻抗分离点曲线的分离点，得到器件结壳的热阻值。

本发明的测量方法中所涉及到的公式及曲线绘制方法，如器件电学参数结压降V_ce与结温T_j的关系曲线的绘制、瞬态热阻抗分离点曲线的绘制以及通过分离点得到结壳的热阻值的公式，均可以通过JEDEC51-14标准中的方法及计算公式得到。

如图2所示，为带有第二接触层时的第二瞬态热阻抗曲线测量结构示意图，在完成压接式功率半导体器件1与散热基板3直接压接接触的第一瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)之后，在压接式功率半导体器件1与散热基板3之间添加一层第二接触层2，在外部压力4的作用下，保证各界面接触良好，按照瞬态双界面测量法获得第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)。

之后，对比分析第一瞬态热阻抗曲线Z_{th-jc(direct)}(t)第二瞬态热阻抗曲线Z_th-jc(metal)(t)，绘制瞬态热阻抗分离点曲线，提取分离点，确定压接式功率半导体器件1的结壳热阻值。

在一个实施例中，第二接触层2为具有良好的电导体和不良热导体特性的材料制备，具备良好的机械性能，满足压接器件的安装要求，即可以满足承受外部压力为1.2kN/cm²左右的要求。

在一个优选的实施例中，第二接触层2为金属层。金属层的面积与压接式功率半导体器件1需要导电导热的接触部分的面积相等。

在一个实施例中，金属层表面采用均匀分布的通孔21结构，以增加金属层的热阻，通孔21均匀分布，并且孔径小、密度大，满足压接式功率半导体器件1热分布均匀性的要求。

在一个更优选的实施例中，金属层可以采用铁、铝、铜、钼等金属或合金等材料制备。

本发明的压接式功率半导体器件结壳热阻的测量方法，满足JEDEC51-14测试标准，能够准确地提取瞬态热阻抗曲线分离点，确定结壳热阻值，并适用于传统的热阻测试标准，无需重新购置设备或是设计夹具。其第二接触层材料选择性广泛，易于获得，其结构也容易制备。本发明的测量方法可以更便捷地更准确地测量压接式功率半导体器件的结壳热阻。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。