IPM双界面热阻测试

张凤，谢立利

（无锡华润微电子有限公司，江苏 无锡 214061）

0 引言

智能功率模块（Intelligent Power Module）内部集成了IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、门极驱动电路和故障检测电路等，在白色家电、变频器、工业控制、伺服驱动等领域中具有良好的发展前景。通常IPM功率密度非常大，自热会使IPM的结温升高，直接影响IPM的电特性和可靠性，甚至导致IPM失效。IPM结温检测对于其动态性能和可靠性评价具有重要意义。现有的结温测量技术有数学物理法、实测结温法、红外扫描法等，这几种方法存在着破坏性强、响应时间长、效率低等缺点[1-2]。而本文采用的电学法，是利用IPM的集电极-发射极VCE与结温之间的线性关系，通过对VCE的测量间接地测量IPM的结温，属于一种无损测量技术[3-6]。瞬态热阻Zth是反映IPM在开通、关断、浪涌等瞬态时结温和功耗之间的热响应评价指标[7-8]。本文利用Power Tester（功率循环及热测试平台）测量IPM瞬态温度响应曲线，瞬态采样时间间隔最快为1微秒，结温分辨率高，能利用结构函数分析出IPM散热路径的热传导结构。目前这种降温测试法已成为国际大公司普遍采用的专利技术。

1 测试电路

本文采用Power Tester进行测试，测试电路如图1，选取IPM中U相下管IGBT，作为被测功率管，设备如图2。图1中电流源I1提供测试电流IC1（200mA），使VCE超过其饱和值。闭合开关S后，电流源I2提供加热电流（被测试IPM额定电流）。断开开关S后，电流源I1继续提供测试电流IC1（200mA）。流过被测IPM的IC必须足够大，同时又必须足够小以保证该电流不会产生明显的自热效应。流过的电流过大，会导致结温明显变化；流过的电流过小，会导致正向压降值测量误差较大。IPM热阻测试必须在热稳定状态下测量。

2 测试方法

本文首先分别在金属冷板和陶瓷冷板上测量出IPM的瞬态降温曲线；然后对瞬态降温曲线进行数值处理，得出结构函数；最后根据结构函数中分析出热阻和热容等热属性参数，根据JEDEC51-14的规定两条曲线的分离点即为IPM热阻值。本文选择A公司、B公司、C公司和华润微电子的同规格IPM样品各一只，进行对比测试。IPM焊接在测试板（电路板上提供IPM的供电电压以及使IGBT开通的驱动信号），再将测试板用夹具固定在控温冷板上。在选取两种界面材质时应确保在加热过程中两种界面温度差值超过15℃，这样有利于后续数据处理。

3 测试步骤

第一步：将被测IPM置于Power Tester中，先根据脉冲电压不产生自热，保持测试电流IC1不变，依次加热至温度T1和T2，测出对应的变化的电压VCE1和VCE2，绘制出电压-温度曲线，求出斜率K：

第二步：测量IPM管壳温度TC1。在温度TC1，测量TC1产生的VCE3。闭合功率开关S，加热电流IC2流通。IC2产生自热，对IPM加热至稳定温度TC2，此时已经建立起热平衡，TC=TC2，同时测量VCE4。

第三步：切换IC2到IC1，测出此时VCE5，再利用K求出此时的结温：

第四步：用Power Tester软件处理温度曲线，最终得出IPM热阻值。

4 测试结果

图3～10为四种IPM样品热阻数据通过软件处理得到的热阻曲线，两条曲线的分离点即为IPM的热阻值。表1为四种IPM datasheet上数值与实测值的对比。

5 结语

表1 测试数据

本文采用双界面热阻测试法实现了对四款IPM样品热阻值的准确测量，并且这种测试方法具有重复性。结果表明，双界面热阻测试方法适用于封装完整的IPM器件的热阻测试和监控，可以广泛应用到IPM器件的设计与生产过程中，将会缩短IPM设计周期，提高IPM的产品合格率。