CN109269667A - 一种具有温度实时监测***的新型igbt装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置，其特征在于：所述装置包括制冷***、线形光纤钢管、DBC衬板、IGBT芯片、超生引线键合、铜板、测温基板和光纤光栅测温传感器；所述IGBT芯片设置与DBC衬板上，与铜板通过超生引线健合形成电路；所述DBC衬板贴合于铜板底部并固定于测温基板上表面；所述IGBT芯片还与测温基板相连；所述测温基板上设置有线性凹槽，所述线性凹槽内设置有线形光纤钢管，所述线性光纤钢管内固定有光纤光栅传感器；所述制冷***设置与测温基板底部。本发明内部嵌入光纤光栅测温传感器，能够实时监测IGBT温度，所测的温度与IGBT的结温偏差小，分辨率高。

Description

一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种温度测量领域，具体涉及一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置的制作方法。
背景技术
IGBT又称绝缘栅双极型晶体管,由双极性三极管和绝缘栅型场效应管组成，IGBT集合了以上两种器件的优点，饱和压降低、载流密度大、开关速度快等，是一种应用于很多领域的半导体大功率器件，适合应用于直流电压为600V及以上的变流***,在交流电机、变频器、开关电源等领域有很多应用。随着社会技术的飞速发展，各个领域对IGBT的稳定性要求越来越高，研究IGBT的使用寿命及工作状态就显得尤为重要，而导致IGBT失效的主要原因是温度过高使IGBT芯片击穿，而且关键零部件在运行过程中均受到环境的影响，存在一定的故障概率，由于缺乏过程温度监测数据，缺少在线分析手段，无法查找真正故障原因，因此就急需实时监测IGBT芯片和外壳的温度变化。
现在大多数仍在使用热电偶法、电参数法以及红外热成像探测法，传统的使用电学方法测温容易受到周围环境电磁场的影响，使测量结果产生偏差，并且很难长期稳定工作。而光的稳定性好，光纤光栅传感器能够在高温高压等恶劣环境下工作，使用寿命长，因此使用光纤光栅传感器能够极大改善这一影响。本测量***在IGBT测温基板底层上设有容纳光纤的线形凹槽，将套有线形光纤钢管的光纤光栅温度传感器和光纤嵌入在线形凹槽中，并通过导热硅胶将线形光纤钢管固定于线形凹槽中。通过光纤光栅传感器、光纤、光接头和上位机检测，能够实现实时多点测量，监测IGBT的温度变化从而实现预警功能。
IGBT结温是整个***正常工作的重要参数，该IGBT实时温度监测***实现的功能是监测IGBT结温，超过阈值时报警。目前监测IGBT的工作状态通常使用红外热成像探测法，但是该方法是由温差成像，如果待测的物体温差不太大，就会使测量的结果对比度降低，那么分辨能力也随之变差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置及其制作方法，能够实时监测IGBT结温。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置，所述装置包括线形光纤钢管、DBC衬板、IGBT芯片、超生引线键合、铜板、测温基板和光纤光栅测温传感器；所述IGBT芯片设置与DBC衬板上，与铜板通过超生引线健合形成电路；所述DBC衬板贴合于铜板底部并固定于测温基板上表面；所述IGBT芯片还与测温基板相连；所述测温基板上设置有线性凹槽，所述线性凹槽内设置有线形光纤钢管，所述线性光纤钢管内固定有光纤光栅传感器。
进一步的，所述测温基板底部设置有制冷***。
进一步的，所述DBC衬板之上设置有12个IGBT芯片。
进一步的，所述制冷***包括制冷片和循环水。
进一步的，所述制冷片的冷面紧贴于导热硅胶底部，热面与制冷***接触，其中制冷片引出引脚1和引脚2两个引脚，引脚1与解调仪内部的单片机一个端口相连，另一端引脚2接地。
进一步的，一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1:通过胶水将IGBT芯片贴到DBC衬板上，与铜板通过超生引线键合形成电路，DBC衬板贴到铜板底部；
步骤S2:对IGBT芯片贴与DBC衬板链接部分进行烧结，固化胶水，烧结时温度在400℃到450℃之间；
步骤S3:对装置进行清洗工作，去除污染物和氧化物；
步骤S4:通过全自动楔焊，实现超生引线键合的打线链接，使IGBT芯片与测温基板相连；
步骤S5:在测温基板上刻制线形凹槽，将用于测量温度的光纤光栅传感器固定在线形光纤钢管内，将线形光纤钢管放置在线形凹槽内部；
步骤S6:测温基板表面的线形光纤钢管与线形凹槽之间填充导热硅胶，并进行封装。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1. 本发明内部嵌入光纤光栅测温传感器，能够实时监测IGBT温度，所测的温度与IGBT的结温偏差小，分辨率高。
2. 本发明装置结构相对简单，且实用方便。
附图说明
图1是本发明内部封装示意图；
图2是本发明一实施例测温基板俯视图；
图3是本发明一实施例测温基板剖视图；
图4是本发明一实施例中温度实时检测***的结构框图；
图5是本发明一实施例中解调仪原理图；
图6是本发明一实施例中上位机软件流程图；
图中：1-制冷***、2-线形光纤钢管、3-紧固连接件、4-DBC衬板、5-环氧树脂、6-母排电极、7-焊层、8-IGBT芯片、9-超生引线键合、10-铜板、11-测温基板、12-导热硅胶组成、14-光纤光栅测温传感器、15-光纤、16-上位机连接线、17-解调仪指示灯、18-上位机、19-解调仪、20-光接头、21-新型IGBT装置、22-耦合器、23-环形器、24-光源、25-前置准直透镜、26-衍射光栅、27-后置准直透镜、28-线性探测光电转换器、29-控制电路、30-信号处理器、31-存储器、32-光纤光栅。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置，包括制冷***1、线形光纤钢管2、紧固连接件3、DBC衬板4、5环氧树脂5、6母排电极6、焊层7、IGBT芯片8、超生引线键合9、铜板10、测温基板11、导热硅胶12、光纤光栅测温传感器14；
通过胶水将IGBT芯片8贴到DBC衬板4上，与铜板10通过超生引线键合9形成电路，DBC衬板贴到铜板10底。然后对链接部分进行烧结，目的是固化胶水，烧结时温度在400℃到450℃之间，且温度均匀。下一步进行清洗工作，以达到去除污染物和氧化物的目的。然后利用全自动楔焊，实现超生引线键合9的打线链接，使IGBT芯片8与测温基板11相连。其中，测温基板11上刻有线形凹槽，将用于测量温度的光纤光栅传感器固定在线形光纤钢管2内，将线形光纤钢管2放置在线形凹槽内部，2线形光纤钢管的作用是能避免光纤对折损坏等，为此提高测量的准确性和整个装置的使用寿命。最后在测温基板11表面的线形光纤钢管2与线形凹槽之间填充导热硅胶12，并进行封装。IGBT芯片8产生的热量主要通过DBC衬板4、测温基板11到制冷***1，并最终通过制冷***中的循环水13带走。
在本发明一实施例中，12个IGBT芯片8位于DBC衬板4之上，与铜版10通过超生引线9形成电路，DBC衬板4则固定于测温基板11。IGBT芯片8表面则填充硅胶，并进行封装。IGBT产生的热量主要通过下方DBC衬板4，测温基板11传到制冷***1，并最终通过制冷***1中的循环水13带走。在进行测温基板11焊接时，需要用高温胶带对光纤15嵌入固定，光纤15拐弯处应该保证有一定的弧度，角度为120°~180°，以防光纤15被折坏；在光纤15的测温部位即光纤光栅温度传感器14处点环氧胶，使得环氧胶把光纤测温部分全包裹注，再把该装置放入烘箱进行固化。环氧胶固化后，安装侧框及管盖，光纤从管盖注胶孔中穿过，引入到管壳外面。同时把固定光纤的高温胶带去除，并把管盖用螺丝固定好，采用手工注胶的方式，对该装置灌注绝缘胶，并进行绝缘胶固化。
制冷***1中，制冷片的冷面紧贴于导热硅胶底部，热面与制冷***接触，其中制冷片引出引脚1和引脚2两个引脚，引脚1与解调仪内部的单片机一个端口相连，另一端引脚2接地；所以该制冷片的工作状态会由单片机控制，当控制制冷片的单片机的引脚1为高电平时，制冷片工作，当引脚1为低电平时，制冷片不工作。上位机18通过串口与解调仪内部的单片机相连，上位机18通过串口发送指令控制单片机。
经上位机18处理数据得到温度信息，当温度超过预警值时，指示灯17变红，同时开启制冷***1，上位机18通过串口向解调仪19的信号控制部分（即单片机）发送指令，使控制制冷片的引脚1为高电平，从而使制冷片工作降低IGBT的工作温度。
温度监测时，光纤经过光接头后与解调仪相连接，图5是解调仪原理图，解调仪由光源24、环形器23、耦合器22、前置准直透镜25、衍射光栅26、后置准直透镜27、线性探测光电转换器28、控制电路29、信号处理器30和存储器31组成，该光源为单色扫频光，波长范围为1525nm~1565nm,光源发出的单色扫频光经环形器后进入耦合器22，再进入光纤光栅传感器14，光纤光栅测温传感器14将满足光栅反射条件的光反射，当周围环境温度发生变化时，影响光纤光栅测温传感器14中的光栅有效折射率或光栅周期，从而使反射的波长也会发生变化。反射光进入耦合器22，再通过环形器23进入前置准直透镜25后变为平行光，该平行光照射在衍射光栅26上，由于衍射光栅26对不同波长的光有不同的分光能力，因此不同波长的光会形成不同的衍射带，通过后置准直透镜27后会聚集在线性探测光电转换器28的不同位置上成像，因此线性探测光电转换器28能获取到此光束的二维图像，并进行光电转换，最终输出特定的电压或电流，经控制电路29和信号处理器30，通过电压值或电流值的大小能推导出此光束的波长，并将波长信息写入存储器31，完成解调。随后解调仪将波长数据传至上位机18，通过上位机18软件对IGBT进行温度实时监测。
图6是IGBT温度实时监测的上位机软件流程图，上位机设计模块由参数设置模块、温度显示模块、光谱图模块、历史数据回顾模块四个部分组成。该软件的功能主要是通过网口接收数据，然后处理数据转换为温度显示在界面中，同时自动保存数据在文本文件中，还可以查询历史数据显示在X-Y图中以便观察；该软件附加一些功能，可以观察各个通道的光谱图。
1. 参数设置模块
IGBT实时温度监测是使用光栅波长与温度的线性关系，所以在开始测试前，需要先将每个光栅的参数设置正确，同时点保存按钮将参数存放于文本文件中，且该模块具有记忆功能，只要参数正确只需设置一次不需每次重新输入。
2.温度显示模块
温度显示模块在上位机中主要有温度报警和实时温度，该模块的主要工作过程是首先点击测试按钮，上位机会通过网口发送指令，随后上位机通过网口接收测试仪器返回的数据，根据需要处理数据得到波长，再由参数计算出温度用温度计的形式显示出来，用一个条件结构完成当温度超过某一范围时解调仪指示灯亮的功能从而实现报警功能；同时用波形图表显示实时温度。
3.光谱图模块
该模块可以测试每个通道的光谱图，从图中观察到选择测试通道的中心波长，由于光谱数据与波长数据不在同一个指令中得到，因此需要点击光谱图中的开始按钮，选择要观察的通道数，使上位机能够重新发送指令，接收光谱数据并用X-Y图显示出来。
4.历史数据回顾模块
当要查看过去的某一时间段的温度数据，需要在历史数据界面选择查看保存的温度文件，点击查看按钮，就会在X-Y图中显示温度数据和对应的时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置，其特征在于：所述装置包括线形光纤钢管、DBC衬板、IGBT芯片、超生引线键合、铜板、测温基板和光纤光栅测温传感器；所述IGBT芯片设置与DBC衬板上，与铜板通过超生引线健合形成电路；所述DBC衬板贴合于铜板底部并固定于测温基板上表面；所述IGBT芯片还与测温基板相连；所述测温基板上设置有线性凹槽，所述线性凹槽内设置有线形光纤钢管，所述线性光纤钢管内固定有光纤光栅传感器。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置，其特征在于：所述测温基板底部设置有制冷***。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置，其特征在于：所述DBC衬板之上设置有12个IGBT芯片。
4.根据权利要求2所述的一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置，其特征在于：所述制冷***包括制冷片和循环水。
5.根据权利要求4所述的一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置，其特征在于所述制冷片的冷面紧贴于导热硅胶底部，热面与制冷***接触，其中制冷片引出引脚1和引脚2两个引脚，引脚1与解调仪内部的单片机一个端口相连，另一端引脚2接地。
6.根据权利要求1-5所述的一种具有温度实时监测***的新型IGBT装置的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1:通过胶水将IGBT芯片贴到DBC衬板上，与铜板通过超生引线键合形成电路，DBC衬板贴到铜板底部；
步骤S2:对IGBT芯片贴与DBC衬板链接部分进行烧结，固化胶水，烧结时温度在400℃到450℃之间；
步骤S3:对装置进行清洗工作，去除污染物和氧化物；
步骤S4:通过全自动楔焊，实现超生引线键合的打线链接，使IGBT芯片与测温基板相连；
步骤S5:在测温基板上刻制线形凹槽，将用于测量温度的光纤光栅传感器固定在线形光纤钢管内，将线形光纤钢管放置在线形凹槽内部；
步骤S6:测温基板表面的线形光纤钢管与线形凹槽之间填充导热硅胶，并进行封装。
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