受温升和热阻影响寿命，如何苹果 IGBT 可靠性？

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。

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：

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；

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；

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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。
 

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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：

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。

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IGBT 温升和热阻的测量
测试电流的选取
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。

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。