用于确定半导体器件的热阻抗的方法

用于确定半导体器件的热阻抗的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于确定半导体器件的热阻抗的方法，其中给所述半导体器件通加热电流（101、201），确定所述半导体器件上的损耗功率，检测所述半导体器件上的依赖于半导体器件的温度的电压降（103、205），由所检测的电压降将半导体器件关于时间的温度作为加热曲线来确定（104、207）并且将所述半导体器件的热阻抗作为所确定的温度和所确定的损耗功率的商来确定（106、208）。
【专利说明】用于确定半导体器件的热阻抗的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于确定半导体器件的热阻抗的方法。

【背景技术】
[0002] 在技术产品中越来越多地采用半导体器件如二极管或晶体管。由于构造与连接技 术(AVT)的各个材料层之间的不同的热特性和运行中的主动和被动的温度上升，在半导体 器件的各个材料层之间的热连接退化。
[0003] 由制造决定的管腔(材料中的气穴）的裂纹或放大可能形成，所述裂纹或放大直至 半导体器件出故障大多还保持未被发现。该导致热电阻的放大并且(在正温度系数的情况 下）导致感生的损耗功率的上升。
[0004] 半导体器件大多被焊接到用作热沉的底板上。在此，被焊接的陶瓷衬底位于比较 厚的、用作热沉的铜板上，半导体器件又位于所述陶瓷衬底上。陶瓷衬底大多利用铜导面来 制造，所述铜导面允许焊接到热沉上。在较大规模的两个刚性的平的器件之间的该种焊接 连接的情况下，通过具有不同的热膨胀系数的不同的材料在半导体器件显著加热直至最大 大约200摄氏度的情况下出现热应力。该些热应力仅能在较为刚性的焊接连接中不充分地 被消除，使得上面提及的裂纹在焊接中形成。
[0005] 由DE 102 37 112 B4已知一种用于在热完善性方面监控焊接段的方法，在该方法 中基于功率模块上的温度传感器估计阻挡层温度。在此，半导体器件的要研究的材料层的 至少一个子区域短时间被加热并且该子区域的温度被监控。基于冷却行为、即基于衰减的 温度来判断，半导体器件的材料层的焊接段是否满足关于热完善性的要求。
[0006] 然而，在此只能二元地判断焊接段是否满足要求并且因此判断是否存在缺陷。在 此不能执行各个热参数、特别是热阻抗或热电阻或热质量或热电容的定量的确定。但是常 常可能有利的是，可W准确地确定该些热参数本身、特别是热阻抗。
[0007] 此外，在此需要温度传感器。然而麻烦并且耗费的是，将温度传感器集成到半导体 器件中。在温度传感器失效的情况下不能再执行对焊接段的监控。
[0008] 因此值得期望的是，提供一种可W确定半导体器件的热阻抗的可能性。


【发明内容】

[0009] 根据本发明，建议一种具有独立权利要求1的特征的用于确定半导体器件的热阻 抗的方法。有利的构型是从属权利要求W及随后的说明书的主题。
[0010] 本发明的优点 通过根据本发明的方法可最小的硬件花费确定半导体器件的热阻抗。在此不需要 附加的器件，根据本发明的方法可W利用常规的半导体器件无需改建或改变地来执行。不 需要附加的温度传感器。由半导体器件的电流或电压值来确定热阻抗，所述电流或电压值 可W无需大的花费地平常地被检测。根据本发明的方法因此成本低地被保持并且可W无需 金钱花费而被执行。
[0011] 通过给半导体器件通加热电流，半导体器件被加热。作为用于检测加热电流或加 热电流的电流强度的测量装置在此特别是使用相电流传感器、特别是分流器。半导体器件 上的依赖于半导体器件的温度的、特别是依赖于半导体器件的阻挡层温度的电压降关于时 间被检测。特别是检测半导体器件的导通电阻上的电压降。如果半导体器件例如被构造为 场效应晶体管(特别是金属氧化物半导体场效应晶体管，M0SFET)，那么特别是检测M0SFET 的本征体二极管上的电压降。如果半导体器件例如被构造为双极晶体管(特别是具有绝缘 栅电极的双极晶体管，IGBT)，那么特别是检测集电极-发射极电压作为电压降。
[0012] 在每个时间点，由该被检测的电压降确定半导体器件的(绝对）温度、特别是阻挡 层温度。半导体器件的该温度根据本发明无需任何温度传感器、仅仅通过所检测的电压降 (并且必要时通过加热电流，如进一步在下面被解释的）来确定。由关于时间被确定的温度 确定半导体器件的加热曲线，该加热曲线描述半导体器件通过加热电流的升温。关于时间 的热阻抗作为半导体器件的所确定的温度和所确定的损耗功率的商来确定。
[0013] 在此适宜地选择加热电流的电流强度。加热电流的较大的电流强度导致半导体器 件的较剧烈的升温。因此可W在根据本发明的方法的过程中改进各个测量装置的信噪比并 且增大根据本发明的方法的结果的稳固性。
[0014] 有利地，由所检测的电压降借助校准特征曲线来确定半导体器件的温度。该校准 特征曲线描述半导体器件的温度和电压降之间的相互关系。该样的校准特征曲线例如可W 在半导体器件开始运转之前、例如在半导体器件的制造过程的带尾或在半导体器件的特定 校准阶段的过程中被确定。在此半导体器件例如在模拟气候室中被预热到所定义的温度。 紧接着在近似零的损耗功率的情况下引入短的电流脉冲(特别是在电流强度10mA的情况 下具有5ms范围中的持续时间）。特别是该短的电流脉冲的电流强度在半导体器件的稍后 持续运行中所使用的加热电流的范围中。所得出的电压降在该半导体器件上被检测。通过 短的电流脉冲近似实现半导体器件的不升温。半导体器件的温度因此对应于在模拟气候室 中所定义的温度。现在通过改变模拟气候室的温度将电压降根据温度的函数作为在各个电 压脉冲的电流强度情况下的校准特征曲线来确定。借助该校准特征曲线，可W在根据本发 明的方法的过程中在半导体器件的持续运行中通过所检测的电压降来确定半导体器件的 溫度。
[0015] 因为半导体器件的电特性遭受偏差(半导体器件之间的电荷差别)，所W半导体器 件的电压降、电流和温度之间的关系饼且因此校准特征曲线）严格来说只适用于恰好一种 特定的被制造的半导体器件。此外，用于检测电压降W及用于检测加热电流的测量装置拥 有测量公差。该些测量公差同样由测量装置的生产的偏差所导致。然而，在半导体器件和 测量装置之间的该些偏差对于根据本发明的方法不起作用。在本发明的意义上，不确定热 阻抗的绝对值、而是更确切地说确定热阻抗的趋势或时间走向就足够了。特别是借助浮动 的平均值确定热阻抗。测量装置的测量公差和半导体器件之间的电荷差别因此（同样如构 造和连接技术、即半导体器件的各个材料层的热连接的起始状态的差别）被平均掉。
[0016] 根据本发明的第一优选构型，直接确定半导体器件的加热曲线。
[0017] 在此优选地半导体器件、特别是加热电流被调节为，使得恒定损耗功率出现。通过 电压降、特别是半导体器件的导通电阻上的电压降的持续监控，可W导出半导体器件中的 温度、特别是阻挡层的温度。因为半导体器件的电导通电阻依赖于温度，所W在恒定损耗功 率的情况下的电压降的上升意味着半导体器件中的温度上升。在此优选地在静态热平衡已 经出现之后确定半导体器件的静态热阻抗。
[0018] 在此优选地借助校准特征曲线来确定半导体器件的温度，该校准特征曲线描述在 加热电流的情况下的半导体器件的温度和电压降之间的相互关系。加热电流的电流强度在 此对应于相应的电流脉冲，利用该电流脉冲确定校准特征曲线。
[0019] 根据本发明的第二优选构型，间接地通过半导体器件的冷却曲线确定半导体器件 的加热曲线。
[0020] 在此通过加热电流将半导体器件优选地加热到直至热平衡。紧接着，在热平衡已 经出现之后，加热电流被减小到较小的测量电流。特别是加热电流在此骤然被减小到测量 电流。特别是该测量电流的电流强度是10mA。测量电流的电流强度被选择得如此小，使得 该测量电流近似不产生半导体器件的自身加热。
[0021] 优选地，(紧接)在减小加热电流之前确定损耗功率。在减小加热电流之后，优选地 检测电压降。由所检测的电压降优选地借助在测量电流的电流强度情况下的校准特征曲线 来确定阻挡层温度。
[0022] 关于时间的层温度在本发明的该构型中作为半导体器件的冷却曲线来确定。冷 却曲线在此描述半导体器件从W下温度的冷却，即半导体器件通过加热电流被升温到该 温度。冷却曲线特别是通过冷却曲线的镜像和移动被变换到加热曲线。特别是加热曲线 右《^^獅由冷却曲线兩胃W根据W下的关系来确定： /，巧知'脑仁）=綱組海tf (嘴-琴]?她|叫。
[0023] 本发明的该第二优选的构型相对于本发明的第一优选的构型拥有W下优点，即不 必进行半导体器件或加热电流的调节，W使恒定损耗功率出现。
[0024] 在本发明的一种有利的构型中，由所确定的热阻抗来推导出半导体器件的各个材 料层之间的热连接。半导体器件的该样的不同的材料层可W特别是被构造为芯片、衬底、底 板、冷却体和热交换器。
[0025] 特别是在此由所确定的热阻抗来确定半导体器件的各个材料层的热电阻和热电 容。该例如可W在参数识别方法的过程中或阻抗波普法的过程中被执行。在此特别是由加 热曲线确定加热电流和温度变化值（Temperaturdelta)之间的转移函数。该温度变化值是 阻挡层自身的温度和半导体器件的壳体温度之间的温度差。该特别是根据本发明的第一优 选构型在恒定的损耗功率的情况下出现。
[0026] 由所确定的热阻抗（W及必要时转移函数）首先确定化ster模型并且由此确定半 导体器件的材料层的Cauer模型。
[0027] Cauer模型(热链分式模型)直接通过经由半导体器件的不同材料层的热传导的建 模来产生。材料层在此通过不同电阻的串联和不同电容器的并联来近似。电阻的欧姆电阻 值在此代表相应材料层的热电阻。电容器的电容在此代表相应材料层的热电容或热电容或 热质量。
[0028] 在化ster模型(热部分分式模型)中，半导体器件的各个材料层被近似为RC环节。 半导体器件通过所述RC环节的串联来近似。各个RC环节在此分别对应于电阻和电容器的 并联。热阻抗在此直接由该些各个RC环节的子阻抗的求和得出。但是，各个欧姆电阻值和 电容在此不应再直接地物理地分配给各个材料层。
[0029] 由各个材料层的因此所确定的热电阻和热电容可W推导出各个材料层之间的热 连接。该热连接在此特别是被构造为各个材料层的焊接段。因此实现各个材料层之间的热 连接的真实的、物理的状态的研究。在此推导出热连接(构造与连接技术）的退化度。
[0030] 各个材料层的热连接恶化得越多，即越少地得出热连接的热完善性，退化度就越 高。根据退化度在此得出半导体器件的更剧烈的加热，因为热量可能更差地向外被引导。
[0031] 在热电阻和热电容的该定量确定的情况下，测量装置的测量公差和半导体器件之 间的电荷差别也可W特别是通过关于浮动平均值确定热阻抗而被平均掉。因此可W保证， 所确定的热电阻和热电容不只适用于恰好一种特定的被制造的半导体器件，而是对于相应 半导体器件拥有普遍适用性。
[0032] 借助本发明因此可简单、成本低的方式无需大的花费实现半导体器件的材料 层的热连接的监控。因此特别是可W监控半导体器件的焊接段并且检验热完善性。
[0033] 如果半导体器件的各个材料层之间的热连接达到阔值，那么有利地执行保护措 施。特别是该阔值作为退化度的确定的极限值来选择。该阔值特别是作为热连接的最大承 受力的极限来选择。作为保护措施例如可W执行半导体器件的调整。半导体器件所通的电 流和/或施加到半导体器件上的电压可W特别是作为保护措施被限制。作为保护措施也可 W导入预防性的维护措施或该半导体器件可W被代替。
[0034] 根据热连接的退化度也可设想使用多个阔值和多个所属的保护措施。因此可W通 过本发明不仅仅二元地判断该热连接是否满足热完善性，而是可W灵活地在热连接的不同 退化度之间并且因此在热完善性的不同程度之间进行区分。因此可W提早地识别半导体器 件的有威胁的失效。特别是可W借助热阻抗、热电阻和/或热电容的长期监控来监控退化 的进展。因此可W灵活地使半导体器件相对于失效或缺陷得到保障。
[00巧]此外，可W在半导体器件的不同损伤或损伤机理之间例如通过故障成规来进行区 分。因此例如可W按材料层的热电容的改变来识别相应的材料层的分层。该使得能够根据 所探测的损伤机理实现特定的反应。
[0036] 根据本发明的方法特别有利地适用于在机动车或商用车、电动车或混合动力车中 使用。优选地，该半导体器件在此被用在机动车、商用车、电动车或混合动力车的(控制）电 路和/或控制设备中。特别是该半导体器件被用在用于车辆的发动机控制的发动机控制电 路中、特别是发动机控制设备中。在此通过该发动机控制电路特别是W时钟脉冲的方式控 制车辆的电机或发电机。
[0037] 特别是在此如上所描述地监控半导体器件的热连接。因此可W防止，有缺陷的、 退化的热连接导致车辆的各个组件的缺陷或失效，所述组件通过控制电路或控制设备来控 巧1|。因此实现车辆的跋行回家策略（Limp-Home-Strategie)。在达到适宜地被选择的阔值 的情况下，特别是限制半导体器件所通的电流，使得车辆还可W安全地运行直至车间。
[0038] 根据本发明的计算单元、例如机动车的控制设备特别是在程序技术上被设置用于 执行根据本发明的方法。
[0039] 该方法W软件方式的实施也是有利的，因为特别是当实施的控制设备还被用于其 它任务并且因此无论如何都存在时，该引起特别低的成本。用于提供计算机程序的合适的 数据载体特别是软盘、硬盘、闪存、EEPR0MXD - R0M、DVD等等。程序通过计算机网络（因特 网、内网等等）的下载也是可能的。
[0040] 本发明的其它的优点和构型由说明书和附图得出。
[0041] 可W理解，前面所述并且随后还要解释的特征不仅可W在分别被说明的组合中， 而且也可W在其它的组合中或单独地使用，而不脱离本发明的范围。
[0042] 本发明借助实施例在附图中示意地被示出并且在下文中参考附图详细地被描述。

【专利附图】

【附图说明】
[0043] 图1示意地示出四象限调节器形式的电路的电路图，该电路适合于执行根据本发 明的方法的优选的构型。
[0044] 图2示意地将根据本发明的方法的一种优选的实施方式作为框图示出。

【具体实施方式】
[0045] 在图1中，四象限调节器示意地被示出并且利用10来表示。在下文中借助四象限 调节器10示例地解释根据本发明的方法的一种优选的构型。本发明在此应该不局限于四 象限调节器，而是适用于任意电路中的半导体器件。
[0046] 四象限调节器具有八个半导体器件H1至服、电压源V、电感L和电流测量装置I。 四象限调节器在该特定的示例中被构造为机动车的发动机控制设备中的发动机控制电路 并且特别是用于提供机动车电机的转子绕组的励磁电流。
[0047] 在W下的示例中，应该检验半导体器件H1的材料层的热连接。该借助根据本发明 的方法的一种优选的构型来执行。该构型在下文中参考图1和图2被解释。在图2中，根 据本发明的方法的构型作为框图示意地被示出。
[0048] 首先确定半导体器件H1的热阻抗。该热阻抗可W借助根据本发明的方法的第一 或第二优选的构型100或200来确定。
[0049] 按照根据本发明的方法的第一优选的构型100,在第一步骤101中，给半导体器件 H1通加热电流。半导体器件H1在根据本发明的方法的过程中在测量技术的检测期间处于 导通状态，而半导体器件H4始终截止。加热电流的绝对值特别是位于5A到10A的范围中。
[0050] 在过大的加热电流的情况下，在由于剩磁而没有励磁电流的情况下也可W产生电 机的力矩。太小的电流不产生自身加热。
[0051] 在步骤102中执行四象限调节器的调节，使得恒定的损耗功率出现。在此特别是 半导体器件肥和H3 W时钟脉冲方式被控制。时钟脉冲频率被选择得如此高，使得通过半 导体器件H1的准直流产生。通过半导体器件H3的栅极控制，电流被驱动通过电感L并且 电流上升。如果H2被控制，那么机动车的机器分支处于空转，即电流通过欧姆电阻被减小。
[0052] 到恒定损耗功率的调节特别是通过两点调节来实现。因为在正温度系数和恒定准 直流(具有可忽略地小的电流脉动的直流）的情况下，电压降由于升温增大，所W必须通过 半导体器件之间的时钟脉冲比例的改变减小电流，W便将损耗功率保持为恒定。
[0053] 如果通过在步骤102中的调节恒定的损耗功率已经出现，那么在步骤103中检测 半导体器件H1的电压降。特别是检测并且持续地监控在半导体器件H1的导通电阻上的电 压降。
[0054] 在步骤104中，阻挡层温度作为半导体器件H1的温度关于时间被确定。阻挡层温 度根据所检测的电压降借助校准特征曲线来确定，该通过步骤104a表明。校准特征曲线描 述在当前的加热电流的情况下的阻挡层温度和电压降之间的相互关系。由半导体器件H1 的加热阶段的每个时间点的阻挡层温度确定加热曲线。
[0055] 在步骤105中确定是否热平衡已经出现。如果是该种情况，那么在步骤106中静 态热阻抗Rth作为在步骤104中所确定的阻挡层温度和在步骤102中所调节的恒定损耗功 率的商来确定。
[0056] 替代地，按照根据本发明的方法的第二优选构型200,也可W间接地借助冷却曲线 来确定加热曲线。半导体器件H1在此在步骤201中被通加热电流并且被升温。在步骤202 中确定是否热平衡已经出现。如果是该情况，那么在步骤203中首先确定损耗功率。紧接 在确定损耗功率之后，在步骤204中将加热电流减小到具有特别是10mA电流强度的测量电 流。在步骤205中确定电压降。在步骤206中同样借助校准特征曲线(通过附图标记104a 表明）由在当前的测量电流情况下的电压降确定阻挡层温度。关于时间的阻挡层温度在该 构型中被确定为半导体器件H1的冷却曲线。在步骤207中半导体器件H1的该冷却曲线通 过变换被变换为加热曲线。在步骤208中热阻抗作为阻挡层温度和在步骤203中所确定的 损耗功率的商被确定。
[0057] 现在根据热阻抗执行半导体器件H1的材料层的热连接的监控300。在此首先在步 骤301中由热阻抗确定各个材料层的热电阻和热电容。在此特别是由热阻抗首先确定半导 体器件H1的化ster模型(热部分分式模型）并且由此确定Cauer模型(热链分式模型)。 [005引在步骤302中，由半导体器件H1的各个材料层的所确定的热电阻和热电容推导出 材料层的热连接。该特别是借助结构函数(通过附图标记302a表明)来进行，该结构函数描 述各个材料层的热电容和热电阻之间的相互关系。
[0059] 在步骤303中检验是否各个材料层之间的热连接超过阔值。如果是该情况，那么 在步骤304中执行相应的保护措施。例如限制给半导体器件H1所通的电流。因此可W实 施跋行回家策略，该跋行回家策略确保，没有热不稳定的状态由于各个材料层的热连接的 退化而出现。
【权利要求】
1. 用于确定半导体器件（HI)的热阻抗的方法，其中 -给所述半导体器件（H1)通加热电流（101、201)， -确定所述半导体器件（H1)上的损耗功率（102、203)， -检测所述半导体器件（H1)上的依赖于半导体器件的温度的电压降（103、205)， -由所检测的电压降将半导体器件关于时间的温度作为加热曲线来确定（1〇4、207)和 -将所述半导体器件（H1)的热阻抗确定为所确定的温度和所确定的损耗功率的商 (106、208)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述温度由所检测的电压降借助校准特征曲线来 确定（104a)，其中所述校准特征曲线描述所述温度和所述电压降之间的相互关系。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中所述加热电流被调节为，使得恒定的损耗功率 在所述半导体器件上出现（102)。
4. 根据上述权利要求之一所述的方法，其中在达到热平衡之后确定所述半导体器件 (H1)的热阻抗（105)。
5. 根据上述权利要求之一所述的方法，其中所述温度由所检测的电压降和所述加热电 流借助校准特征曲线来确定（104a)，其中所述校准特征曲线描述在所述加热电流的情况下 的温度和电压降之间的相互关系。
6. 根据权利要求1或2所述的方法，其中通过加热电流将所述半导体器件（H1)加热到 直至热平衡（201)并且随后将所述加热电流减小到较小的测量电流（204 )。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中在减小所述加热电流（204)之前确定所述半导体 器件上的损耗功率（203)。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中在减小所述加热电流（204)之后关于时间来确定 温度作为冷却曲线（206)并且所述加热曲线通过所述冷却曲线的变换而被确定（207)。
9. 根据上述权利要求之一所述的方法，其中由所确定的热阻抗推导出所述半导体器件 (H1)的各个材料层之间的热连接（302)。
10. 根据上述权利要求之一所述的方法，其中如果所述半导体器件（H1)的各个材料层 之间的热连接达到阔值（303)，那么执行保护措施（304)。
11. 根据上述权利要求之一所述的方法，其中所述半导体器件（H1)被用在机动车的控 制电路（10)中和/或机动车的控制设备中。
12. 计算单元，所述计算单元被设置用于执行根据上述权利要求之一的方法。
13. 计算机程序，所述计算机程序促使计算单元在W下情况下执行根据权利要求1至 11之一的方法，即在所述方法在特别是根据权利要求12的计算单元上被实施时。
14. 机器可读的存储介质，具有存储在其上的根据权利要求13的计算机程序。
【文档编号】H01L21/66GK104465316SQ201410480442
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2013年9月20日
【发明者】O.D.科勒, J.霍姆特, M.里希特 申请人:罗伯特·博世有限公司