晶圆温度检测以及IGBT模块温度检测处理的方法和装置与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种晶圆温度检测以及IGBT模块温度检测处理的方法和装置。

背景技术：

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片。在电路工作的时候，晶圆温度会升高，当超过一定温度时，会引起晶圆的性能下降甚至损毁。目前，通常根据温度检测单元设计温度采样电路，以程序查表的方式进行温度采样，得到晶圆的温度。当晶圆的温度超过过温保护点时，可以采取一定的措施对晶圆进行过温保护。

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块是广泛应用于电力电子领域中的一种半导体功率器件。由于温度对该器件的工作性能有很重要的影响，因此，通常都会有针对IGBT模块的过温保护措施。IGBT模块中所包含的半导体器件(例如，IGBT元件、二极管)通常都设置在晶圆上。对IGBT模块进行过温保护主要是对其中的晶圆进行过温保护。现有技术中，温度检测单元检测到的温度认为是该IGBT模块中所有晶圆共同的温度也就是IGBT模块的温度。当检测到IGBT模块的温度高于一预设的过温保护点时，系统会立即采取相应的保护措施。但是，由于各种复杂的因素，导致温度检测单元采集的晶圆温度与晶圆的实际温度之间会有一定的差距。尤其是三电平IGBT模块，其晶圆多且布局复杂、温度检测单元布局远，如果将温度检测单元采集的温度直接作为晶圆的共同温度，容易使晶圆出现过温损坏或承受短时过温导致IGBT模块的寿命降低。因此，目前温度采样电路检测的晶圆温度并不准确，难以对IGBT模块进行有效的过温保护。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种晶圆温度检测以及IGBT模块温度检测处理的方法和装置，使得检测得到的晶圆温度更准确，对晶圆的保护更安全有效。

为了实现上述目的，本发明提供一种晶圆温度检测方法，该方法包括：获取由温度检测单元检测的一晶圆在当前状态下的基础温度；根据设置于所述晶圆上的半导体器件的损耗模型来确定所述半导体器件在所述当前状态下的功率损耗；根据所述当前状态下的功率损耗和预定的所述温度检测单元与所述晶圆之间的热阻，确定所述温度检测单元与所述晶圆在所述当前状态下的温度差；以及根据所述基础温度和所述当前状态下的温度差来确定所述晶圆在所述当前状态下的实际温度。

优选地，所述温度检测单元为热敏电阻。

优选地，所述半导体器件为IGBT元件或二极管。

优选地，根据所述当前状态下的功率损耗和预定的所述温度检测单元与所述晶圆之间的热阻，确定所述温度检测单元与所述晶圆在所述当前状态下的温度差的步骤通过以下方式执行：ΔT₁＝R·ΔP₁，其中，ΔT₁为所述温度检测单元与所述晶圆在所述当前状态下的温度差，R为所述温度检测单元与所述晶圆之间的热阻，ΔP₁为所述当前状态下的功率损耗。

优选地，通过以下方式来预先确定所述热阻：检测所述半导体器件在一试验条件下的功率损耗；检测所述温度检测单元和所述晶圆在所述试验条件下的温度；根据所述温度检测单元和所述晶圆在所述试验条件下的温度，确定所述温度检测单元与所述晶圆在所述试验条件下的温度差；以及根据所述试验条件下的功率损耗和所述试验条件下的温度差，确定所述温度检测单元与所述晶圆之间的热阻。

优选地，所述试验条件为以下中的一者：将所述半导体器件正向通直流电；或者在所述半导体器件为IGBT元件的情况下，将所述半导体器件通交 流电。

优选地，在所述试验条件为将所述半导体器件正向通直流电的情况下，检测所述半导体器件在所述试验条件下的功率损耗的步骤包括：检测所述半导体器件两端的电压；检测流过所述半导体器件的电流；以及根据所述电压和所述电流确定所述半导体器件在所述试验条件下的功率损耗；在所述试验条件为将所述IGBT元件通交流电的情况下，检测所述半导体器件在所述试验条件下的功率损耗的步骤为：根据所述半导体器件的损耗模型来确定所述半导体器件在所述试验条件下的功率损耗。

本发明还提供一种用于绝缘栅双极型晶体管IGBT模块的温度检测处理方法，该温度检测处理方法包括：根据本发明提供的晶圆温度检测方法检测所述IGBT模块中的所有晶圆的实际温度；以及根据所述所有晶圆的实际温度来确定所述IGBT模块的实际温度。

优选地，根据所述所有晶圆的实际温度来确定所述IGBT模块的实际温度的步骤为下列中的任意一者：将所述IGBT模块中所检测的所有晶圆的实际温度的平均值作为所述IGBT模块的实际温度；或者将所述IGBT模块中所检测的所有晶圆的实际温度中的最大值作为所述IGBT模块的实际温度。

优选地，该温度检测处理方法还包括：判断所述IGBT模块的实际温度是否达到预设的过温保护点，并在所述IGBT模块的实际温度大于或等于所述过温保护点的情况下，对所述IGBT模块进行过温保护。

本发明还提供一种晶圆温度检测装置，该装置包括：接收模块，用于获取由温度检测单元检测的一晶圆在当前状态下的基础温度；以及处理模块，用于根据设置于所述晶圆上的半导体器件的损耗模型来确定所述半导体器件在所述当前状态下的功率损耗；根据所述当前状态下的功率损耗和预定的所述温度检测单元与所述晶圆之间的热阻，确定所述温度检测单元与所述晶圆在所述当前状态下的温度差；以及根据所述基础温度和所述当前状态下的 温度差来确定所述晶圆在所述当前状态下的实际温度。

本发明还提供一种用于绝缘栅双极型晶体管IGBT模块的温度检测处理装置，该温度检测处理装置包括：本发明提供的晶圆温度检测装置，用于检测所述IGBT模块中的所有晶圆的实际温度；以及温度确定装置，用于根据所述所有晶圆的实际温度来确定所述IGBT模块的实际温度。

通过上述技术方案，根据与一晶圆对应的半导体器件的损耗模型确定该半导体器件的功率损耗，在已知该晶圆与温度检测单元之间的热阻的情况下，由热阻计算公式计算出温度检测单元与该晶圆在当前状态下的温度差。本发明的晶圆温度检测方法中，根据温度检测单元检测到的基础温度与上述温度差得到晶圆的实际温度。因此，根据本发明的晶圆温度检测方法考虑了由温度检测单元和晶圆之间的热阻引起的温度差，这样能够更加准确地得到晶圆的实际温度，从而能够使得对晶圆的过温保护更加安全有效。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的实施方式提供的晶圆温度检测方法的流程图；

图2是本发明的实施方式提供的预先确定温度检测单元与晶圆之间的热阻的方法的流程图；

图3是本发明的一实施方式提供的用于IGBT模块的温度检测处理方法的流程图；

图4是本发明的另一实施方式提供的用于IGBT模块的温度检测处理方法的流程图；

图5是本发明的实施方式提供的晶圆温度检测装置的结构示意图；

图6是本发明的一实施方式提供的用于IGBT模块的温度检测处理装置的结构示意图；以及

图7是本发明的另一实施方式提供的用于IGBT模块的温度检测处理装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明的实施方式提供的晶圆温度检测方法的流程图。如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

首先，步骤S10，获取由温度检测单元检测的一晶圆在当前状态下的基础温度T₀。目前，检测晶圆的温度通常的做法是，在一个模块(例如IGBT模块中)设置包含温度检测单元(例如，热敏电阻)的温度采样电路，将温度检测单元检测到的温度认为是该IGBT模块中所有晶圆共同的温度，其具体实施方式于此不再详细描述。在本发明中，可以将温度检测单元检测的温度当作每一个晶圆的基础温度T₀，要分别得到具体某个晶圆的实际温度，可以在此基础上，再加上由该温度检测单元和该晶圆之间的热阻引起的温度差，得到更为准确的该晶圆的实际温度，详细步骤见下文。

然后，步骤S20，根据设置于晶圆上的半导体器件的损耗模型来确定半导体器件在当前状态下的功率损耗ΔP₁。下面以获得IGBT模块中的一晶圆的实际温度为例进行说明。在IGBT模块中，半导体器件例如可以为IGBT元件或二极管。半导体器件的损耗模型可以根据多种方式得到，例如，基于物理结构和基于数学方法的损耗模型，此处不再详述。只要确定当前状态的电流、电压等电学特性，就可以根据损耗模型求得该半导体器件在当前状态 下的功率损耗ΔP₁。

接着，步骤S30，根据当前状态下的功率损耗ΔP₁和预定的温度检测单元与晶圆之间的热阻R，确定温度检测单元与晶圆在当前状态下的温度差ΔT₁。该步骤S30中，确定该温度差可以通过以下方式执行：

ΔT₁＝R·ΔP₁ (1)

其中，ΔT₁为温度检测单元与晶圆在当前状态下的温度差，R为温度检测单元与晶圆之间的热阻，ΔP₁为当前状态下的功率损耗。该等式(1)由热阻的计算公式R＝ΔT/ΔP(ΔT为一电子器件的温度，ΔP为该电子器件的功率损耗)推导而来(温度检测单元的功率损耗近似为零)，其中，ΔT₁既是温度检测单元与晶圆在当前状态下的温度差，也是温度检测单元与晶圆在当前状态下的温度差。

这里需要说明的是，虽然使用了S10、S20、S30这样的表述，但是并不意味着这三个步骤就是按照这样的先后次序来进行。其中，S30必然在S20之后，而S10和S20可以同时进行，也可以在S20之前或之后进行，还可以和S30同时进行也可以在S30之前或之后进行。

由于温度检测单元与晶圆之间的热阻值是固定不变的，可以使IGBT模块处于一种试验条件下，测试出计算热阻所需的值，由热阻计算公式计算出该热阻。具体地，图2是本发明的实施方式提供的预先确定温度检测单元与晶圆之间的热阻的方法的流程图。如图2所示，可以通过以下方式来预先确定所述热阻：

步骤S50，检测半导体器件在一试验条件下的功率损耗ΔP₂。

其中，试验条件可以根据半导体器件的类型或试验的硬件条件来设置。例如，试验条件可以为以下中的一者：将半导体器件正向通直流电；或者在半导体器件为IGBT元件的情况下，将IGBT元件通交流电。

以IGBT模块中的晶圆为例，在检测与IGBT模块中的IGBT元件对应 的晶圆温度时，将IGBT元件正向通直流电可以通过将IGBT模块正向通直流电来实现。在检测与IGBT模块中的二极管对应的晶圆温度时，将二极管正向通直流电可以通过将IGBT模块反向通直流电来实现。并且，在检测IGBT元件对应的晶圆温度时，试验条件还可以为将IGBT元件通交流电，可以通过将IGBT模块通交流电来实现。

其中，在试验条件为将半导体器件正向通直流电的情况下，步骤S50可以包括：检测半导体器件两端的电压U；检测流过半导体器件的电流I；以及根据电压和电流确定半导体器件在试验条件下的功率损耗ΔP₂。因为将IGBT元件或二极管正向通直流电时，该IGBT元件或二极管导通，可以对IGBT元件或二极管进行测试。电压U和电流I可以通过电流或电压检测器件(例如，电流表、电压表)直接测试的方法得到，而功率损耗ΔP₂可以根据公式ΔP₂＝UI计算得到。

在试验条件为将IGBT元件通交流电的情况下，步骤S50可以为：根据半导体器件的损耗模型来确定半导体器件在试验条件下的功率损耗。具体地，在预先已知损耗模型的情况下，可以利用仿真软件仿真半导体器件在试验条件下的电流、电压波形，从而计算得到半导体器件的功率损耗ΔP₂。

步骤S60，检测温度检测单元和晶圆在试验条件下的温度。其中，温度检测单元和晶圆在试验条件下的温度可以通过温度检测器件(例如，温度计)直接测试的方法得到。

步骤S70，根据温度检测单元和晶圆在试验条件下的温度，确定温度检测单元与晶圆在试验条件下的温度差ΔT₂。该温度差ΔT₂为步骤S60中得到的温度检测单元在试验条件下的温度和晶圆在试验条件下的温度之差。

步骤S80，根据试验条件下的功率损耗ΔP₂和试验条件下的温度差ΔT₂，确定温度检测单元与晶圆之间的热阻R。具体地，由热阻公式可以得到：R＝ΔT₂/ΔP₂，其中，可以分别根据上述步骤S50和步骤S70得到ΔP₂和ΔT₂， 从而求得温度检测单元和晶圆之间的热阻R。

由此，求得温度检测单元和晶圆之间的热阻R，就可以根据步骤S30，确定温度检测单元与晶圆在当前状态下的温度差ΔT₁。

最后，步骤S40，根据基础温度T₀和当前状态下的温度差ΔT₁来确定该晶圆在当前状态下的实际温度T(T＝T₀+ΔT₁)。通常晶圆的实际温度T要大于温度检测单元检测的基础温度T₀。而本发明中增加了二者之间的温度差ΔT₁，使得检测出的晶圆温度增大。

通过上述技术方案，根据与一晶圆对应的半导体器件的损耗模型确定该半导体器件的功率损耗ΔP₁，在已知该晶圆与温度检测单元之间的热阻R的情况下，由热阻计算公式计算出温度检测单元与该晶圆在当前状态下的温度差ΔT₁。本发明的晶圆温度检测方法中，根据温度检测单元检测到的基础温度T₀与上述温度差ΔT₁得到晶圆的实际温度T。因此，根据本发明的晶圆温度检测方法考虑了温度检测单元和晶圆之间由热阻R引起的温度差ΔT₁，这样能够更加准确地得到晶圆的实际温度，从而能够使得对晶圆的过温保护更加安全有效。

本发明还提供一种用于IGBT模块的温度检测处理方法。图3是本发明的一实施方式提供的用于IGBT模块的温度检测处理方法的流程图。如图3所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤S90，根据本发明提供的晶圆温度检测方法检测IGBT模块中的所有晶圆的实际温度；以及

步骤S100，根据所有晶圆的实际温度来确定IGBT模块的实际温度。

其中，根据所有晶圆的实际温度来确定IGBT模块的实际温度的步骤(步骤S100)可以为下列中的任意一者：将IGBT模块中所检测的所有晶圆的实际温度的平均值作为IGBT模块的实际温度；或者将IGBT模块中所检测的所有晶圆的实际温度中的最大值作为IGBT模块的实际温度。上述取平均值 的实施方式可以用于晶圆的位置比较集中的IGBT模块，而上述取最大值的实施方式更适用于晶圆的位置比较分散的IGBT模块。

另外，在查找晶圆的实际温度的最大值时，也可以根据其上设置的半导体器件将晶圆分为不同类型(例如与IGBT对应的晶圆和与二极管对应的晶圆)，计算每个晶圆与温度检测单元的热阻，分别找到每类晶圆中热阻的最大值，根据该类型晶圆中的最大热阻计算出的就是该类型晶圆中实际温度的最大值(因为相同的半导体器件在同一工作状态下的功率损耗是相同的。所以，根据热阻计算公式，热阻最大的晶圆具有与温度检测单元最大的温度差，因此也对应着最大的实际温度)。因此，只要比较各个类型晶圆中实际温度的最大值，就可以找到所有晶圆中实际温度的最大值。

另外，本发明提供的晶圆温度检测方法，可以分别检测每一个晶圆的实际温度。而现有技术中，将温度检测单元检测到的温度作为所有晶圆的共同温度。因此，本发明的晶圆温度检测方法更加具有针对性，信息掌握更全面。

在检测到IGBT模块的实际温度以后，还可以根据该实际温度对IGBT模块进行过温保护。图4是本发明的另一实施方式提供的用于IGBT模块的温度检测处理方法的流程图。如图4所示，该方法还可以包括：

步骤S110，判断所述IGBT模块的实际温度是否达到预设的过温保护点，并在IGBT模块的实际温度大于或等于过温保护点的情况下，对IGBT模块进行过温保护。其中，对IGBT模块进行过温保护的步骤可以包括：减小或关断IGBT模块的输出电流，使得IGBT模块的实际温度小于过温保护点。

由于检测的晶圆(或IGBT模块)温度更准确，根据本发明的用于IGBT模块的温度检测处理方法能够更安全可靠地对IGBT模块进行过温保护。

本发明还提供一种晶圆温度检测装置。图5是本发明的实施方式提供的晶圆温度检测装置的结构示意图。如图5所示，该晶圆温度检测装置10可以包括：接收模块101，用于获取由温度检测单元检测的一晶圆在当前状态 下的基础温度；以及处理模块102，用于根据设置于晶圆上的半导体器件的损耗模型来确定半导体器件在当前状态下的功率损耗；根据当前状态下的功率损耗和预定的温度检测单元与晶圆之间的热阻，确定温度检测单元与晶圆在当前状态下的温度差；以及根据基础温度和当前状态下的温度差来确定晶圆的实际温度。

优选情况下，温度检测单元可以为热敏电阻。半导体器件可以为IGBT元件或二极管。

优选情况下，处理模块102可以通过以下方式确定温度检测单元与晶圆在当前状态下的温度差：ΔT₁＝R·ΔP₁，其中，ΔT₁为温度检测单元与晶圆在当前状态下的温度差，R为温度检测单元与晶圆之间的热阻，ΔP₁为当前状态下的功率损耗。

优选情况下，可以通过以下方式来预先确定所述热阻：检测半导体器件在一试验条件下的功率损耗；检测温度检测单元和晶圆在试验条件下的温度；根据温度检测单元和晶圆在试验条件下的温度，确定温度检测单元与晶圆在试验条件下的温度差；以及根据试验条件下的功率损耗和试验条件下的温度差，确定温度检测单元与晶圆之间的热阻。

优选情况下，试验条件可以为以下中的一者：将所述半导体器件正向通直流电；或者在半导体器件为IGBT元件的情况下，将半导体器件通交流电。

优选情况下，在试验条件为将半导体器件正向通直流电的情况下，处理模块102可以通过以下方式确定半导体器件在试验条件下的功率损耗：检测半导体器件两端的电压；检测流过半导体器件的电流；以及根据电压和电流确定半导体器件在试验条件下的功率损耗；在试验条件为将IGBT元件通交流电的情况下，处理模块102可以通过以下方式确定半导体器件在试验条件下的功率损耗：根据半导体器件的损耗模型来确定半导体器件在试验条件下的功率损耗。

本发明还提供一种用于IGBT模块的温度检测处理装置。图6是本发明的一实施方式提供的用于IGBT模块的温度检测处理装置的结构示意图。如图6所示，用于IGBT模块的温度检测处理装置20可以包括：晶圆温度检测装置10，用于检测IGBT模块中的所有晶圆的实际温度；以及温度确定装置11，用于根据所有晶圆的实际温度来确定IGBT模块的实际温度。

优选情况下，温度确定装置11可以通过以下方式来确定IGBT模块的实际温度：将IGBT模块中所检测的所有晶圆的实际温度的平均值作为IGBT模块的实际温度；以及将IGBT模块中所检测的所有晶圆的实际温度中的最大值作为IGBT模块的实际温度。

图7是本发明的另一实施方式提供的用于IGBT模块的温度检测处理装置的结构示意图。如图7所示，用于IGBT模块的温度检测处理装置20还可以包括：过温保护装置12，用于判断所述IGBT模块的实际温度是否达到预设的过温保护点，并在IGBT模块的实际温度大于或等于过温保护点的情况下，对IGBT模块进行过温保护。

优选情况下，过温保护装置12可以通过以下方式对IGBT模块进行过温保护：减小或关断IGBT模块的输出电流，使得IGBT模块的实际温度小于过温保护点。

通过上述技术方案，根据与一晶圆对应的半导体器件的损耗模型确定该半导体器件的功率损耗ΔP₁，在已知该晶圆与温度检测单元之间的热阻R的情况下，由热阻计算公式计算出温度检测单元与该晶圆在当前状态下的温度差ΔT₁。本发明的晶圆温度检测方法中，根据温度检测单元检测到的基础温度T₀与上述温度差ΔT₁得到晶圆的实际温度T。因此，根据本发明的晶圆温度检测方法考虑了温度检测单元和晶圆之间由热阻R引起的温度差ΔT₁，这样能够更加准确地得到晶圆的实际温度，从而能够使得对晶圆或IGBT模块的过温保护更加安全有效。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。