受温升和热阻影响寿命,如何苹果 IGBT 可靠性?

2019-09-18 17:27:43 来源:功率半导体那些事儿
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引言
IGBT失效的机理通常都与一个参量有很大的关系,就是"热"。在较大功率的情况下,由于IGBT的各种损耗产生大量的热,这将直接影响器件的温升和热应力,导致其工作寿命缩减,同时还会对周围的器件产生影响。所以,IGBT工作的温升和热阻是影响其寿命,评估其可靠性的重要参数之一,也是我们设计时比较关注的重要参数。


99捕鱼 之前也简单聊过热阻的一些概念:


何谓“热阻”?
目前,基于电学法测量IGBT热阻的方法有:


99捕鱼 ①IGBT工作在线性区或者饱和区时,以集电极电压Vce作为热敏感参数的测量方法;


99捕鱼 ②调整栅极控制IGBT工作区域,并以集电极电压作为热敏感参数的测量方法,如TH系列热阻测试仪所采样的方法;


2
温升和热阻的测量原理

小电流下半导体PN结电压随温度变化具有非常好的线性,利用这一点测量器件的工作温升和热阻,即通过半导体器件结电压随温度的线性变化作为温敏参数,测量其工作条件下温敏参数的变化,进而来测量温升和热阻。


利用温敏参数测量温升前,需要对其进行校准。即将被测器件(DUT)设置在两个或多个已知温度下,测量相应温度下温敏参数,可得温度系数α=(u2-u1)/(T2-T1)。

 

测量温升时将器件放置在一个恒温平台上,器件工作之后,电功率将产生热量使得器件内部温度升高,由于恒温平台的温度保持不变,只要测出结电压前后变化量Δu,再除以温度系数α变能够得到器件的工作温升,即ΔT=Δu/α,进而得到器件的热阻RT=ΔT/P。
 

3
热敏感参数的选取

当选取不同的参数时,我们测得的热阻值可能会有所不同,实验时应当合理地选取热敏参数。初步选取可选取的热敏参数有:


99捕鱼 ①栅-集电极短路时,集电极电流为恒定电流时的集射极电压uce;


②栅-集电极短路时,集射极电压恒定时的发射极电流ie。

 

下面我们针对这两种热敏参数进行对比:


➤如下图:

 

 

将IGBT的栅-集电极短路,在发射极串联一个电流表,并在短路点α加一个直流电压源。将5个器件固定好放入温箱中,在20~125℃范围内设置5个温度点,电压源分别设置为3V,4V,5V,观察并记录电流ie,绘制其随温度变化的曲线:

 

 

可见,当电压恒定时,电流ie随温度变化呈非线性,且ie数字较小,易受到外界的干扰。


➤如下图:

 

 

将IGBT的栅-集电极短路,在短路点a加一个直流电流源,并在a点与发射极之间并联一个电压表。将5个器件固定好放入温箱中,在20~125℃范围内设置6个温度点,电流源分别设置为0.1mA,1mA,观察并记录uce,绘制其随温度变化的曲线:

 

 

可见,当电流恒定时,uce随温度变化的线性度较好,所以选取栅-集电极短路,集电极电流为小电流时的uce作为热敏感参数较为合理。


4
IGBT温升和热阻的测量
测试电流的选取

99捕鱼 测试温度系数前,首先要选定合适的测试电流im,而检验im是否合适的简易方法就是快速重复的进行测试。若正向电压降保持稳定没有发生漂移,则说明已经克服了漏电流的影响,而其值没有持续下降,则说明芯片的发热可以忽略不计。我们假设就选取0.1mA和1mA。


校准曲线的测量
测量时,将被测器件放在温箱中,保持一定的温度,在栅-集电极短路端加im,测量各温度下的uce,每一温度点的平衡时间为20min,以保证器件与温箱达到很好的热平衡。根据uce绘制的曲线便是我们所需的校准曲线,进而可以得到温度系数α。所得到的校准曲线我们可以通过软件进行拟合,得到线性函数,以减小实验中的各种误差。实验中,我们可以改变测试电流im,得到不同电流下的uce校准曲线作为对比。


下图是某规格IGBT在测试电流0.1mA和1mA下,30~120℃范围内测得的校准曲线:

 

 

我们对测试电流为0.1mA时的校准曲线做拟合,得到线性函数曲线,以此作为结温计算的依据,如下图:

 

 

热阻测试电路如下:

 

 

这里我们定义开关闭合为t1时刻,断开为t2时刻。在栅-集电极短路端同时施加测试电流im和加热电流ic,并闭合开关,测得t1时刻uce1,由于ic远大于im,所以我们可以认为器件的功率近似为P=ic*uce1。


20min后,器件壳温趋于温度,测量壳温Tc,并断开ic,同时示波器测量uce,并记录其变化曲线,如下图:

 

 

读取曲线数值,根据半导体器件冷响应曲线,取时间轴t的平方根√t,如下图:

 

 

由得到的函数曲线外推至断开加热电流Ic时,t2时刻的uce2,根据之前的校准曲线的拟合曲线推出此时刻的结温Tj,则ΔT=Tj-Tc,并于R=ΔT/P得到该型号IGBT的热阻。


99捕鱼 最后,上述测量热阻的方式比较适合分立式IGBT热阻的测量。为分立式器件的结构相对比较简单,IGBT模块的话,存在芯片并联,以及芯片之间的热耦合的影响,需要采取另外的测试方式。

 
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作者简介
Disciple
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99捕鱼 热衷于功率半导体行业,并且从事相关工作,喜欢关于相关行业的各种信息,知识和应用。珍惜时光,自由在高处。

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