[发明专利]基于热阻抗特征频率的功率半导体器件健康状态评估方法

权利要求书

1.一种基于热阻抗特征频率的功率半导体器件健康状态评估方法，其特征在于，包括：

提取功率半导体器件的热阻抗特征频率；所述功率半导体器件为包含散热器的功率半导体器件或不包含散热器的功率半导体器件；

检测n个所述热阻抗特征频率的变化情况；

将所述热阻抗特征频率的变化情况，与健康状态下的热阻抗特征频率进行对比，评估所述功率半导体器件的健康状态；

所述评估功率半导体器件的健康状态，其中：

所述热阻抗特征频率反映功率半导体器件不同位置的健康状态，包括内部的功率半导体器件的多层结构健康状态判断、外部散热器及其接触界面的健康状态判断；

将提取的功率半导体器件的热阻抗特征频率，与健康状态下的热阻抗特征频率进行对比，当不同频段的热阻抗特征频率变化率达到设定的程度后，即判断功率半导体器件对应位置出现了老化；

所述n个热阻抗特征频率包括低频段热阻抗特征频率、中频段热阻抗特征频率、高频段热阻抗特征频率中一个或多个，所述低频段、中频段和高频段根据功率半导体器件类型而有所变化，低频段热阻抗特征频率的范围0～5Hz，中频段热阻抗特征频率的范围为5～100Hz，高频段热阻抗特征频率的范围为大于100Hz；其中：

所述低频段热阻抗特征频率，反映功率半导体器件底板与其他连接部分的接触界面散热材料的健康状态，以及包含散热器的功率半导体器件-散热器接触界面及散热器自身的健康状态；对于不含散热器的功率半导体器件，随着底板与其他连接部分的接触界面散热材料的老化程度逐渐严重，低频段热阻抗特征频率逐渐下降；对于风冷散热以及具有导热硅脂接触的功率半导体器件，随着散热器或导热硅脂老化程度逐渐严重，低频段热阻抗特征频率逐渐下降；对于没有导热硅脂，采用风冷、液冷散热或直接接触散热介质的功率半导体器件，随着散热器健康状态下降，低频段热阻抗特征频率也随之下降；

所述中频段热阻抗特征频率，反映功率半导体器件内部覆铜陶瓷基板及底板焊料层健康状态，随着底板焊料层老化程度逐渐严重，中频段热阻抗特征频率逐渐上升；

所述高频段热阻抗特征频率，反映功率半导体器件芯片及其芯片焊料层健康状态，随着芯片及芯片焊料层老化程度逐渐严重，高频段热阻抗特征频率逐渐下降。

2.根据权利要求1所述的基于热阻抗特征频率的功率半导体器件健康状态评估方法，其特征在于，所述功率半导体器件包括：

-硅基和非硅基的IGBT、MOSFET、晶体管、晶闸管、二极管中任一种；

-采用单管、焊接或压接型模块的封装形式中功率半导体器件的任一种，其中压接型模块包含有铜基板和无铜基板中任一种；

-采用包括风冷和液冷散热器的功率半导体器件中任一种。

3.根据权利要求1所述的基于热阻抗特征频率的功率半导体器件健康状态评估方法，其特征在于，所述提取功率半导体器件的热阻抗特征频率，采用以下任一种方法：

-通过获取所述功率半导体器件在损耗变化时的热流曲线，提取出功率半导体器件或功率半导体器件及其散热器的热阻抗特征频率；

-通过获取功率半导体器件在损耗变化时的结、壳、散热器温度曲线，提取出功率半导体器件或功率半导体器件及其散热器的热阻抗特征频率；

-通过获取功率半导体器件在损耗变化时的热流曲线以及结、壳、散热器温度曲线，提取出功率半导体器件或功率半导体器件及其散热器的热阻抗特征频率，其中，结、壳、散热温度曲线用于确认特征频率的范围，热流曲线用于确认特征频率的大小。

4.根据权利要求3所述的基于热阻抗特征频率的功率半导体器件健康状态评估方法，其特征在于，所述通过获取功率半导体器件在损耗变化时的结、壳、散热器温度曲线，提取出功率半导体器件或功率半导体器件及其散热器的热阻抗特征频率，包括：

记录结温、壳温时域阶跃响应以及阶跃损耗的大小；

计算结-壳热阻抗，并用m阶Foster网络拟合，将时域表达的热阻抗转化为频域下的热阻抗通过s＝2πf·j，f＝10^x的关系，即将复频率s用2πj·10^x替代，再对其求二阶导，得到图形函数D(x)：

找出图形函数D(x)在有效区间内的极小值点即对应热阻抗特征频率，其中，j为虚数单位；x为与特征频率f所对应的变量。