基于分布式测温光纤的IGBT功率器件及其温度监测方法

基于分布式测温光纤的igbt功率器件及其温度监测方法
技术领域
1.本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种基于分布式测温光纤的igbt功率器件及其温度监测方法。


背景技术：

2.绝缘栅双极型晶体管(igbt)由于其开关频率高、保护性能优良且易于并联使用的优点，常被应用于工作频率高达数百赫兹、工作电流1～2万安培的电子电力系统。然而在高负载的工况下，igbt芯片温度持续升高，当结温上升到材料的本征温度而导致的热击穿为igbt芯片的主要失效原因。为防止igbt芯片热击穿而导致设备发生故障，需对其结温进行实时监测。
3.目前常用的测量方式主要有利用热敏元件、热像仪、fbg光纤传感器对igbt芯片的结温进行测量。
4.热敏元件只能测量芯片上单个测点的温度，而且大功率igbt功率器件工作时igbt芯片承受电压、电流极大，容易导致热敏元件短路，因此热敏元件常安装在芯片四周边缘，无法测出芯片最高温度。当需要测量多点温度时需采用多个热敏元件，这样会使得引线过多从而影响igbt功率器件的性能。
5.采用热像仪对igbt芯片的结温进行测量会占据大量空间，适合用于实验室而不适合用于实际工程环境，且价格昂贵，对使用者要求高。
6.采用fbg光纤传感器对igbt芯片结温进行测量需要将fbg光纤传感器贴于芯片表面，虽然光纤传感具有抗电磁干扰、绝缘性好的优点，然而fbg光纤传感器栅区长度可达10mm，约等于igbt芯片的边长长度，因此采用fbg光纤传感器无法监测芯片的温度分布情况，也无法判断测量值对应的位置，只能测出芯片整体大致平均温度。
7.术语解释：
8.igbt(绝缘栅双极型晶体管)是一种由三极管与场效应管相结合的半导体功率器件，其在大功率变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域扮演着及其重要的角色，igbt被称为电子电力系统的cpu。
9.ofdr(光频域反射技术)是一种基于光纤中瑞利散射的背向反射，利用扫频光源相干检测技术对光纤中的光信号进行检测的一项技术，可用与于温度场与应变场的分布测量，具有高空间分辨率，高测试灵敏度的特点。


技术实现要素：

10.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种可准确监测内部芯片温度的基于分布式测温光纤的igbt功率器件及其温度监测方法。
11.本发明所采用的第一技术方案是：
12.一种基于分布式测温光纤的igbt功率器件，包括：
13.基板；
14.igbt芯片和整流二极管芯片，所述igbt芯片和所述整流二极管芯片设置在所述基板上；
15.测温光纤，所述测温光纤铺设在所述igbt芯片和所述整流二极管芯片的表面；
16.封装壳，所述封装壳用于封装所述基板、所述igbt芯片、所述整流二极管芯片以及所述测温光纤；
17.光纤端部连接器，所述光纤端部连接器设置在所述测温光纤穿出所述封装壳的一端，所述光纤端部连接器用于通过ofdr分布式光纤解调设备与监测终端连接。
18.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述测温光纤在所述igbt芯片和所述整流二极管芯片的表面循环往复铺设，所述igbt芯片和所述整流二极管芯片的表面均设有多段平行布置的测温光纤。
19.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述igbt芯片的表面设有第一键合线，所述第一键合线与所述igbt芯片之间设有第一空隙，所述测温光纤穿过所述第一空隙铺设在所述igbt芯片的表面；
20.所述整流二极管芯片的表面设有第二键合线，所述第二键合线与所述整流二极管芯片之间设有第二空隙，所述测温光纤穿过所述第二空隙铺设在所述整流二极管芯片的表面。
21.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述测温光纤与所述igbt芯片之间涂覆有导热硅脂，所述测温光纤与所述整流二极管芯片之间涂覆有导热硅脂。
22.本发明所采用的第二技术方案是：
23.一种基于分布式测温光纤的igbt功率器件的温度监测方法，用于通过上述基于分布式测温光纤的igbt功率器件实现，包括以下步骤：
24.通过监测终端获取所述测温光纤上所有测点的测点温度信息；
25.根据所述测点温度信息和预先标定的光纤位置信息确定所述igbt芯片的第一温度分布信息和所述整流二极管芯片的第二温度分布信息；
26.通过所述监测终端显示所述第一温度分布信息和所述第二温度分布信息；
27.其中，所述光纤位置信息包括第一测温区域位置信息和第二测温区域位置信息，所述第一测温区域位置信息为位于所述igbt芯片表面的测温光纤片段的位置信息，所述第二测温区域位置信息为位于所述整流二极管芯片表面的测温光纤片段的位置信息。
28.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述温度监测方法还包括所述光纤位置信息的标定步骤，其具体包括：
29.确定所述测温光纤位于所述igbt芯片两侧边缘处的测点的第一位置，并确定所述测温光纤位于所述整流二极管芯片两侧边缘处的测点的第二位置；
30.根据所述第一位置确定所述第一测温区域位置信息，并根据所述第二位置确定所述第二测温区域位置信息。
31.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述测点温度信息和预先标定的光纤位置信息确定所述igbt芯片的第一温度分布信息和所述整流二极管芯片的第二温度分布信息这一步骤，其具体包括：
32.根据所述测点温度信息和所述第一测温区域位置信息确定所述igbt芯片的多个第一温度数据，并对所述第一温度数据进行插值计算，得到所述igbt芯片的第一温度分布
信息；
33.根据所述测点温度信息和所述第二测温区域位置信息确定所述整流二极管芯片的多个第二温度数据，并对所述第二温度数据进行插值计算，得到所述整流二极管芯片的第二温度分布信息。
34.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述温度监测方法还包括以下步骤：
35.当所述第一温度数据高于预设的第一阈值或所述第二温度数据高于预设的第二阈值，通过驱动电路降低所述igbt功率器件的功率。
36.本发明的有益效果是：本发明一种基于分布式测温光纤的igbt功率器件及其温度监测方法，通过在igbt芯片和整流二极管芯片上铺设测温光纤，并通过封装壳将测温光纤与igbt芯片、整流二极管芯片一同封装，设置在测温光纤穿出封装壳的一端的光线端部连接器可通过ofdr分布式光纤解调设备与监测终端连接，通过监测终端即可实现对igbt芯片与整流二极管芯片温度分布的实时监测。本发明利用ofdr技术对igbt芯片和整流二极管芯片进行全方位的温度分布监测，提高了芯片温度测量的全面性和准确度，且测温光纤抗电磁干扰能力强、占用空间小，不会影响功率器件的性能和小型化设计，可防止芯片局部温度过高而导致功率器件故障。
附图说明
37.图1为本发明第一实施例提供的基于分布式测温光纤的igbt功率器件的剖切结构示意图；
38.图2为本发明第一实施例提供的igbt芯片上测温光纤和第一键合线的布局示意图；
39.图3为本发明第一实施例提供的测温光纤的第一种铺设方式的示意图；
40.图4为本发明第一实施例提供的测温光纤的第二种铺设方式的示意图；
41.图5为本发明第一实施例提供的测温光纤的第三种铺设方式的示意图；
42.图6为本发明第二实施例提供的基于分布式测温光纤的igbt功率器件的剖切结构示意图；
43.图7为本发明实施例提供的基于分布式测温光纤的igbt功率器件的温度监测方法的步骤流程图。
44.附图标记：
45.10、基板；11、igbt芯片；12、整流二极管芯片；111、第一键合线；20、测温光纤；21、光纤端部连接器；30、封装壳。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
47.在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。此外，除非另有定义，本文所使用的所
有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。
48.参照图1和6，本发明实施例提供了一种基于分布式测温光纤的igbt功率器件，包括：
49.基板10；
50.igbt芯片11和整流二极管芯片12，igbt芯片11和整流二极管芯片12设置在基板10上；
51.测温光纤20，测温光纤20铺设在igbt芯片11和整流二极管芯片12的表面；
52.封装壳30，封装壳30用于封装基板10、igbt芯片11、整流二极管芯片12以及测温光纤20；
53.光纤端部连接器21，光纤端部连接器21设置在测温光纤20穿出封装壳30的一端，光纤端部连接器21用于通过ofdr分布式光纤解调设备与监测终端连接。
54.本发明实施例中，igbt芯片11与整流二极管芯片12为温度监测的对象，如图1所示为本发明第一实施例提供的基于分布式测温光纤的igbt功率器件的剖切结构示意图，该实施例中igbt功率器件为igbt功率模块，基板10上设有多个igbt芯片11和多个整流二极管芯片12；如图6所示为本发明第二实施例提供的基于分布式测温光纤的igbt功率器件的剖切结构示意图，该实施例中igbt功率器件为igbt分立元件，基板10上设有一个igbt芯片11和一个整流二极管芯片12。
55.测温光纤20铺设在igbt芯片11和整流二极管芯片12的表面，光纤端部连接器21用于通过ofdr分布式光纤解调设备与监测终端连接，可通过监测终端实时监测测温光纤20测量的芯片温度分布信息。
56.可选地，采用环氧树脂进行注塑封装，形成封装壳30。封装壳30用于封装测温光纤20、基板10、igbt芯片11以及整流二极管芯片12，封装壳30可进一步固定住测温光纤20防止其移位，同时可以起到绝缘与保护作用。
57.参照图3至5，进一步作为可选的实施方式，测温光纤20在igbt芯片11和整流二极管芯片12的表面循环往复铺设，igbt芯片11和整流二极管芯片12的表面均设有多段平行布置的测温光纤20。
58.具体地，测温光纤20的铺设应使光纤在经过所有igbt芯片11和整流二极管芯片12表面的同时，每个芯片上有多段光纤平行布置。
59.可选的，当基板10上芯片较少时，可只使用一条测温光纤20进行测量，当基板10上芯片较多时，可使用多条测温光纤20进行测量。
60.本发明实施例中，在测温光纤20表面涂覆一层粘合剂，采用环绕递进型光纤铺设方式、环绕收缩型光纤铺设方式或交替型光纤铺设方式将测温光纤20粘贴与铺设在芯片的表面，使得测温光纤20经过每一个igbt芯片11与每一个整流二极管芯片12的表面，同时在同一个芯片上有多段测温光纤20平行布置。
61.如图3所示为本发明第一实施例提供的测温光纤20的第一种铺设方式(即环绕递进性光纤铺设方式)的示意图；如图4所示为本发明第一实施例提供的测温光纤20的第二种铺设方式(即环绕收缩型光纤铺设方式)的示意图；如图5所示为本发明第一实施例提供的测温光纤20的第三种铺设方式(即交替型光前铺设方式)的示意图。
62.需要说明的是，为避免测温光纤20弯曲半径过小而导致光信号损耗太大甚至完全检测不到光信号，以及测温光纤20弯曲半径过小而导致光纤折断，可优先选择环绕递进型光纤铺设方式和环绕收缩型光纤铺设方式。
63.参照图2，进一步作为可选的实施方式，igbt芯片11的表面设有第一键合线111，第一键合线111与igbt芯片11之间设有第一空隙，测温光纤20穿过第一空隙铺设在igbt芯片11的表面；
64.整流二极管芯片12的表面设有第二键合线(图中未示出)，第二键合线与整流二极管芯片12之间设有第二空隙，测温光纤20穿过第二空隙铺设在整流二极管芯片12的表面。
65.具体地，由于芯片上存在键合线，键合线与芯片表面之间呈现拱形空隙，测温光纤20可通过键合线与芯片之间的空隙穿过，而测温光纤20本身具有绝缘性和抗电磁干扰能力，且测温光纤20直径仅有100～200μm，因此键合线与测温光纤20并不会发生干涉。
66.进一步作为可选的实施方式，测温光纤20与igbt芯片11之间涂覆有导热硅脂，测温光纤20与整流二极管芯片12之间涂覆有导热硅脂。
67.具体地，在芯片与测温光纤20之间涂覆导热硅脂，可降低芯片表面与光纤之间的热阻，提高测量准确度。
68.以上是对本发明实施例的结构进行了说明。可以理解的是，本发明实施例通过在igbt芯片和整流二极管芯片上铺设测温光纤，并通过封装壳将测温光纤与igbt芯片、整流二极管芯片一同封装，设置在测温光纤穿出封装壳的一端的光线端部连接器可通过ofdr分布式光纤解调设备与监测终端连接，通过监测终端即可实现对igbt芯片与整流二极管芯片温度分布的实时监测。本发明利用ofdr技术对igbt芯片和整流二极管芯片进行全方位的温度分布监测，提高了芯片温度测量的全面性和准确度，且测温光纤抗电磁干扰能力强、占用空间小，不会影响功率器件的性能和小型化设计，可防止芯片局部温度过高而导致功率器件故障。此外，本发明实施例不仅可以应用于igbt功率模块，还可以应用于igbt分立元件。
69.参照图7，本发明实施例提供了一种基于分布式测温光纤的igbt功率器件的温度监测方法，用于通过上述基于分布式测温光纤的igbt功率器件实现，包括以下步骤：
70.s101、通过监测终端获取测温光纤上所有测点的测点温度信息；
71.s102、根据测点温度信息和预先标定的光纤位置信息确定igbt芯片的第一温度分布信息和整流二极管芯片的第二温度分布信息；
72.s103、通过监测终端显示第一温度分布信息和第二温度分布信息；
73.其中，光纤位置信息包括第一测温区域位置信息和第二测温区域位置信息，第一测温区域位置信息为位于igbt芯片表面的测温光纤片段的位置信息，第二测温区域位置信息为位于整流二极管芯片表面的测温光纤片段的位置信息。
74.具体地，将光纤端部连接器通过ofdr分布式光纤解调设备连接至监测终端，驱动igbt功率器件运行，监测终端将测温光纤测得的各个测点的温度信息依据光纤铺设方式与标定的光纤位置信息转换为二维的温度分布信息，并以图像的形式显示出igbt芯片和整流二极管芯片的实时温度分布。
75.进一步作为可选的实施方式，温度监测方法还包括光纤位置信息的标定步骤，其具体包括：
76.a1、确定测温光纤位于igbt芯片两侧边缘处的测点的第一位置，并确定测温光纤
位于整流二极管芯片两侧边缘处的测点的第二位置；
77.a2、根据第一位置确定第一测温区域位置信息，并根据第二位置确定第二测温区域位置信息。
78.具体地，在完成测温光纤铺设之后、开始温度监测之前，需要对测温光纤在芯片上的位置进行标定，具体方法为：连接ofdr分布式光纤解调设备和监测终端，使芯片边缘处的测温光纤产生应变或温度变化，此时可通过监测终端记录产生应变或温度变化的光纤位置，将其作为对应芯片的起始位置与终止位置，从而确定第一测温区域位置信息和第二测温区域位置信息，位于第一测温区域和第二测温区域内的光纤片段所测得的温度数据即为对应芯片的表面温度数据。
79.本发明实施例中，采用对测温光纤进行局部加热的方法进行位置标定。
80.进一步作为可选的实施方式，根据测点温度信息和预先标定的光纤位置信息确定igbt芯片的第一温度分布信息和整流二极管芯片的第二温度分布信息这一步骤s102，其具体包括：
81.s1021、根据测点温度信息和第一测温区域位置信息确定igbt芯片的多个第一温度数据，并对第一温度数据进行插值计算，得到igbt芯片的第一温度分布信息；
82.s1022、根据测点温度信息和第二测温区域位置信息确定整流二极管芯片的多个第二温度数据，并对第二温度数据进行插值计算，得到整流二极管芯片的第二温度分布信息。
83.具体地，将同一芯片上多段互相平行的光纤段测得的温度数据进行插值计算，即可获得该芯片的温度分布信息。
84.进一步作为可选的实施方式，温度监测方法还包括以下步骤：
85.当第一温度数据高于预设的第一阈值或第二温度数据高于预设的第二阈值，通过驱动电路降低igbt功率器件的功率。
86.具体地，当监测终端监测到igbt芯片或整流二极管芯片的局部温度数据高于预设的阈值时，将进行上报，并控制驱动电路降低igbt功率器件的功率或停机。
87.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
88.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
89.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
90.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
91.在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
92.应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。上述方法可以使用标准编程技术—包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
93.此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。上述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
94.进一步，上述方法可以在可操作地连接至合适的任何类别的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、系统、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所描述步骤的指令或程序时，本文所描述的发明包括这些和其他不同类别的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所描述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
95.计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所描述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
96.以上，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以
相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。