适用于功率半导体芯片温度在线监测的接触与非接触式组合传感方法及在线监测系统

本发明涉及功率半导体模块的封装、测试与热管理，尤其涉及一种适用于功率半导体芯片温度在线监测的接触与非接触式组合传感方法及在线监测系统。

背景技术：

1、随着新能源发电、电动汽车及轨道交通等电气化应用的快速发展，功率半导体模块正向高功率密度、高可靠性方向演进。对芯片温度的精确、实时监测，是实现系统性能优化、寿命预测与可靠性保障的关键。然而，传统的温度监测方法难以满足日益提高的测量要求。

2、目前，功率半导体模块的测温方法主要包括电气参数法与内置热敏电阻法。电气参数法属于间接测温，需依赖精密的采样电路与复杂的离线标定模型，其在线测量精度易受电路寄生参数、驱动波动及采样误差的影响。内置热敏电阻法虽可直接输出温度信号，但热敏电阻通常置于基板，与芯片之间存在较大热阻与热容，导致响应迟缓、测量结果与芯片实际结温存在显著温差，且无法反映芯片内部或不同芯片间的温度分布。

3、红外辐射测温作为一种非接触式测温方法，具有精度高、绝缘隔离等优势。然而，红外测温方法应用于功率半导体器件的瓶颈问题在于功率半导体器件芯片表面通常覆盖有硅凝胶或环氧树脂等有机灌封材料，这些材料中的c-h和h-o键对中远红外光具有强吸收作用，而芯片在正常工作温度范围内辐射以中远红外波段为主，灌封胶阻断芯片红外辐射信号穿透，无法满足红外测温需求。若为实施红外测温而移除封装外壳或灌封材料，则会破坏模块的绝缘防护与环境屏障功能，导致器件可靠性下降，因此传统红外测温方法不具备工程实用性。

4、因此，如何在不影响功率模块电气性能和封装结构可靠性前提下，实现对芯片结温快速、精确和可靠在线测量，成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明提出一种适用于功率半导体芯片温度在线监测的接触与非接触式组合传感方法及在线监测系统，实现芯片温度的高精度、快响应、高可靠在线监测。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于功率半导体芯片温度在线监测的接触与非接触式组合传感方法，包括如下步骤：

4、1）热电偶绝缘封装。选用线径0.5mm~0.25mm的k型热电偶丝和外径小于1mm、内径略大于热电偶丝线径的毛细管；将k型热电偶丝从毛细管一端插入，测温触点延伸至毛细管另一端，且测温触点到毛细管另一端端口的距离为1~2mm；采用高导热绝缘胶（如卡夫特52系列绝缘胶）通过点胶方式将毛细管两侧端口密封，保温静置固化待用，形成热电偶。

5、其中，毛细管材质为高导热、高绝缘材质，如石英、高纯氧化铝陶瓷等。

6、2）芯片温度测点确定。选定功率半导体规格型号，建立电热耦合有限元模型，在不同热流密度条件下开展有限元仿真，评估功率半导体内温度分布，标记芯片最高温度位置作为测温位点；根据功率半导体器件内部拓扑结构类型，标记每一电平层级芯片最高温度位置，记录所有电平层级芯片测温位点需求。

7、其中，电热耦合有限元模型包含芯片、金属键合线、dbc基板、灌封胶及散热器，仿真覆盖器件额定工作热流密度的50%~120%；

8、3）芯片表面热电偶集成。选取未灌封的功率半导体，在塑料外壳侧面或顶部预制通孔，通孔数量根据步骤2）标记的芯片测温位点的数量确定，通孔孔径略大于毛细管外径；将步骤1）封装的热电偶采用耐高温导热绝缘胶通过点胶方式分别粘接于步骤2）标记的测温位点，保温静置固化；将热电偶另一端引线通过塑料外壳通孔引出并固定密封（通孔密封采用环氧树脂），形成集成热电偶功率半导体，引线与温度采集模块连接。

9、4）红外辐射窗口制备。集成热电偶功率半导体内芯片包含金属键合线，金属键合线在芯片表面呈现弧拱状（拱高3~4mm）；将功率半导体平置，在金属键合线弧拱顶部、芯片中心区域放置模具，底面与芯片表面保持平行，覆盖芯片中心区域，模具高度大于灌封液位、密度高于灌封胶的密度，使模具重力大于灌封胶浮力，灌封时与金属键合线弧拱顶部保持良好接触；随后，将灌封胶注入功率半导体内，移入真空箱内真空排气，加热保温固化；待灌封胶完全固化后，移除模具，形成与金属键合线弧拱高度平齐的红外辐射窗口（如厚度为3mm~4mm）；该红外辐射窗口区域因保留薄层高发射率灌封胶（表面发射率≥0.90），且通过金属键合线与导热颗粒强化热传导，可在数十毫秒内将芯片温度传递至红外辐射窗口表面。

10、其中，灌封胶（如聚二甲基硅氧烷ab组分）中添加绝缘高导热颗粒，搅拌均匀并真空排气；绝缘高导热颗粒选自氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷或金刚石中的一种或多种组合，粒径为w3~w5微米，绝缘高导热颗粒的添加量占灌封胶质量的5%~20%；

11、绝缘高导热颗粒用于增强灌封胶导热性能，粒径选取微米级，即增加颗粒导热增强效果，同时也避免颗粒团聚沉降。

12、5）红外模组集成。选用微型红外模组，采用非制冷红外传感芯片（如gd60914a），具备数据采样与传输功能，测温范围覆盖半导体器件芯片工作温度区间，测温频率不低于25hz；将微型红外模组安装于集成热电偶功率半导体的塑料外壳上，将微型红外模组的红外探头垂直对准红外辐射窗口；红外探头与红外辐射窗口的间距满足l≤0.5d，其中，l为红外探头与红外辐射窗口之间的间距，d为红外辐射窗口的横向尺寸。

13、6）热电偶温度标定。将集成热电偶功率半导体放置于恒温箱中，在室温至150℃范围内对热电偶进行多点标定；标定温度点不少于7个（如30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃、150℃），每个标定温度点保温时间≥20分钟，使得功率半导体内部温度恒定，然后采用数值万用表或温度记录仪等采集热电偶测量温度，建立热电偶测量温度与恒温箱设置温度的映射关系，标定后热电偶测量误差在1℃以内。

14、7）红外模组测温校准。采用低压直流加载平台对集成热电偶功率半导体器件开展恒流加载实验直至热稳态，同步采集热电偶测量的芯片温度和微型红外模组测量的红外辐射窗口温度，建立芯片温度与红外辐射窗口温度的校准模型；

15、其中，校准模型为线性关系δt=a·t_chip+b，其中δt为芯片温度与红外辐射窗口温度的差值，t_chip为芯片温度，a、b为校准系数，校准后红外模组测量误差在3℃以内。

16、8）绝缘耐压检验。将集成热电偶功率半导体所有端子（包括功率端子和辅助端子等）用金属导线短接；将热电偶连接端和功率半导体基板采用金属导线短接；采用绝缘耐压测试仪对功率半导体端子和基板开展绝缘耐压测试，测试条件参考功率半导体器件绝缘耐压测试国标或国军标，检验功率半导体表面集成热电偶的绝缘耐压性能。

17、9）在线监测功能验证。将功率半导体转移至开关脉冲测试平台，在典型工况下控制器件连续开关运行，基于集成热电偶和微型红外模组开展芯片温度在线监测和抗电磁干扰测试，采集热电偶和微型红外模组温度曲线，并根据芯片温度与红外辐射窗口温度的校准模型校准红外测量温度，观察温度变化曲线是否有异常毛刺，检验集成传感器芯片温度在线监测功能和抗干扰能力。

18、还提供一种功率半导体芯片温度在线监测系统，采用上述所述的方法制备，包括：

19、接触式测温单元：由绝缘封装热电偶阵列构成，用于直接测量芯片表面温度；

20、非接触式测温单元：由集成于塑料外壳的微型红外模组构成，用于测量红外辐射窗口温度；

21、数据处理单元：内置芯片温度与红外辐射窗口温度的校准模型，对微型红外模组输出信号进行实时修正，并与热电偶测量数据进行校验；

22、绝缘防护单元：由灌封胶及绝缘封装结构构成，确保系统在高压环境下的电气安全。

23、本发明接触式热电偶直接贴合芯片热点，测量误差在±1℃以内；非接触式红外模组通过低厚度高导热窗口实现毫秒级温度响应，结合校准模型可将误差控制在±3℃以内，解决了传统热敏电阻响应滞后的问题。

24、其次，本发明热电偶采用石英/陶瓷毛细管与高导热绝缘胶双重封装，经绝缘耐压测试验证（如ac 4000v/1min漏电流<2ma），满足高压器件安全要求；红外窗口保留薄层灌封胶，不破坏模块原有绝缘与防护结构，兼容现有封装工艺。抗干扰能力强：热电偶引线采用屏蔽设计与外壳密封，红外模组集成于外壳且信号经数字滤波，在1khz高频开关工况下测温波形无失真，适应功率器件的强电磁环境。

25、第三，本发明通过电热耦合仿真精准定位热点，结合灌封胶导热增强与窗口预制工艺，实现了红外测温在工程化功率模块中的应用；所有校准与验证流程标准化，便于规模化推广。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过热电偶的绝缘封装与集成安装、功率半导体芯片红外辐射窗口预制与红外测温模组集成安装，实现了对功率半导体器件芯片温度的实时在线接触与非接触组合式测量，克服了传统电气参数法依赖模型、热敏电阻法响应慢且位置受限的缺点；不改变模块原有主体结构与电气性能，集成成本低，信号采集方便，方案成熟度高；并且，经过功率循环及高频开关等严苛工况的实验验证，显示出优异的可靠性与抗干扰能力，为功率模块的热管理、状态监测与可靠性评估提供了高精度的温度数据基础。