半导体器件的功率循环试验装置和系统的制作方法

本发明属于半导体测试领域，更具体地说，是涉及一种半导体器件的功率循环试验装置和系统。

背景技术：

电力电子器件集中应用于电机驱动、充放电、电源变换三大产品领域，随着第三代半导体技术和新能源汽车产业的发展，电力电子器件也迎来了新的发展机遇，市场需求快速增长，仅面向新能源汽车，国内每年的对车规级igbt模块的需求量就有几百万只，电力电子器件正逐渐成为半导体产业的热点方向。

相关产业的迅速发展为电力电子器件可靠性试验提供了广阔的市场需求。寿命试验是目前最常用和最有效的一种可靠性筛选试验方法，通过长时间电热应力作用激发器件内潜在工艺缺陷，诱发问题器件失效从而加以剔除或改进设计，保证产品质量，例如车规级电力电子器件，传统老炼寿命试验被改进为功率循环试验(参考标准aec-q101-rev-d1、mil-std-750、iec60749-34)，也称间歇工作寿命试验，即通过间歇性的通断状态实现循环加电，目的是为了贴近逆变技术等应用背景下器件的真实工作状态。

大功率半导体器件的功率循环试验对试验装置提出了新的技术挑战。功率循环试验中，通过控制大电流的通断状态使被测器件结温在最大值与最小值间快速循环。功率循环试验中常常要求器件通断状态的结温变化量△tj≥100℃，并在数秒内完成转换，温度变化范围大、变化速度快。根据标准iec60749-34，功率循环中的通断时间如不采用固定时间设置，则应该通过监测散热器温度ts或壳温来控制，并要求一个循环周期结束、重新加电前结温和壳温的温差不能超过5℃，这种控制策略在评价引线失效的同时兼顾了焊料层疲劳老化失效。因此，器件结温和壳温的监测与控制是功率循环试验的关键内容，另一方面，由于电力电子器件功率大，要求装置耐受大电流，但传统老炼寿命试验装置不能满足这些需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体器件的功率循环试验装置和系统，以解决传统功率循环试验对结温和壳温的控制不满足实验需求，试验装置易老化、成本高的问题。

本发明实施例的第一方面提供一种半导体器件的功率循环试验装置，包括：

底座，上表面设有第一深度凹槽和与所述第一深度凹槽的上边缘相交的第二深度凹槽，以及在所述第二深度凹槽内设置通孔，所述第一深度凹槽与所述第二深度凹槽相交的区域为器件区域，所述第一深度大于所述第二深度；

电极设备，固定在所述第一深度凹槽中，与外部加电设备连接，被测器件放置在所述电极设备上的所述器件区域；

器件定位框，固定在所述第二深度凹槽中，用于固定所述电极设备上的所述被测器件；

弹性压块设备，设置在被测器件上方，两端与所述底座连接，用于固定所述定位框内所述被测器件；

温度检测设备，固定在所述通孔中，用于获取试验过程中的所述被测器件的壳温，并将所述壳温发送给外部工控机。

进一步地，所述电极设备包括：

电极隔离定位框，固定在所述第一深度凹槽中，包括第一隔离槽和第二隔离槽，且所述第一隔离槽和所述第二隔离槽之间设有第三深度凹槽，所述第三深度凹槽用于放置被测器件；

第一电极，通过第一固定器件固定在所述第一隔离槽中，且第一端与外部加电设备连接，第二端与被测器件连接，其中，在所述第一固定器件上，所述第一隔离槽与所述第一电极之间的位置设有弹簧；

第二电极，通过第二固定器件固定在所述第二隔离槽中，且第一端与外部加电设备连接，第二端与被测器件连接，其中，在所述第二固定器件上，所述第二隔离槽与所述第二电极之间的位置设有弹簧；

所述第一电极与所述第二电极对称固定在所述电极隔离定位框。

进一步地，在所述第一电极和所述第二电极上与所述被测器件连接的位置均进行磨砂处理。

进一步地，所述底座、所述第一电极和所述第二电极均采用铜材料制备。

进一步地，所述弹性压块设备包括：

压块壳体，通过至少两个定位螺钉固定在所述底座上方，其中，在所述定位螺钉上，所述壳体与所述底座之间的位置设有弹簧；

压块本体，通过轴位螺钉固定在所述壳体下端；

调节旋钮，设置在所述定位螺钉顶端，用于调节所述压块本体对被测器件的压力。

进一步地，所述电极隔离定位框、器件定位框和所述压块本体均采用陶瓷材料制备。

本发明实施例的第二方面提供一种半导体器件的功率循环试验系统，包括：工控机、加电设备、热学测试仪和如权利要求1至6任一项所述的半导体器件的功率循环试验装置；

所述加电设备，与所述工控机和所述功率循环试验装置的电极设备连接，用于在预设周期数内对所述电极设备进行循环加电；

所述热学测试仪，与所述工控机和所述电极设备连接，用于根据用户输入标定电压结温曲线，并在试验过程中所述加电设备未加电时，对所述电极设备输出预设电流并获取被测器件的电压，根据所述电压结温曲线确定与所述被测器件的电压对应的结温，将所述结温发送给所述工控机；

所述工控机，与所述功率循环试验装置连接，用于控制所述加电设备在预设周期数内对所述电极设备进行循环加电，还获取被测器件的壳温和所述结温，在所述壳温、所述结温和结温变化量中的任一种不满足预设温度条件时控制所述加电设备停止工作。

进一步地，所述工控机具体用于：

在所述壳温大于预设壳温时，发出警报并控制所述加电设备停止工作；

在所述结温大于预设结温时，发出警报并控制所述加电设备停止工作；

在结温变化量不满足预设变化量时控制所述加电设备停止工作。

进一步地，所述加电设备包括：直流电源和负载开关；

所述直流电源的第一电压端与所述电极设备其中的一端连接，所述直流电源的第二电压端与所述负载开关的第一端连接，所述直流电源的地端与所述功率循环试验装置的底座连接；所述负载开关的第二端与所述电极设备其中的另一端连接；

所述工控机通过控制所述负载开关的通断使所述直流电源在预设周期数内对所述电极设备进行循环加电。

进一步地，所述半导体器件的功率循环试验系统还包括：散热台和散热设备；

所述半导体器件的功率循环试验装置固定在所述散热台上，所述散热台在所述加电设备加电时对所述半导体器件的功率循环试验装置进行散热；

所述散热设备设置在所述散热台的一侧，在所述加电设备未加电时所述工控机控制所述散热设备对所述半导体器件的功率循环试验装置进行散热。

本发明实施例中半导体器件的功率循环试验装置和系统与现有技术相比的有益效果在于：装置主要包括底座、电极设备、器件定位框、弹性压块设备和温度检测设备，利用机械结构紧固，避免损坏、连接脱落、老化等问题，可耐受大电流，降低了成本，使用寿命长；系统主要包括工控机、加电设备、热学测试仪和试验装置，加电设备在预设周期数内对电极设备进行循环加电，热学测试仪获取被测器件的电压，根据预先标定的电压结温曲线确定与被测器件的电压对应的结温，工控机获取被测器件的壳温和结温，在壳温、结温和结温变化量中的任一种不满足预设温度条件时控制加电设备停止工作，保证功率循环试验顺利进行，可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种半导体器件的功率循环试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的半导体器件功率循环试验装置的爆炸图；

图3为本发明实施例提供的半导体器件功率循环试验装置的俯视图；

图4为本发明实施例提供的底座的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第一电极或第二电极的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电极隔离定位框的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种半导体器件的功率循环试验系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种半导体器件的功率循环试验系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明实施例提供的一种半导体器件的功率循环试验装置，用于电力电子器件的可靠性试验，主要支持smd(surfacemounteddevices，表面贴装)封装大功率电力电子器件的功率循环试验，适用于200a以上大电流、高功率的半导体器件，如功率二极管、mos管、igbt等。

装置主要包括：底座100、电极设备200、器件定位框300、弹性压块设备400和温度检测设备。

底座100上表面设有第一深度凹槽110和与第一深度凹槽110的上边缘相交的第二深度凹槽120，以及在第二深度凹槽120内设置通孔130，第一深度凹槽110与第二深度凹槽120相交的区域为器件区域，第一深度大于第二深度；电极设备200固定在第一深度凹槽110中，与外部加电设备连接，被测器件放置在电极设备200上的器件区域；器件定位框300固定在第二深度凹槽120中，弹性压块设备400设置在被测器件上方，弹性压块设备400的两端与底座100连接；温度检测设备固定在通孔130中。

底座100可对被测器件进行快速散热，电极设备200接收加电设备700电压，对被测器件进行循环加电，器件定位框300固定电极设备200上的被测器件，弹性压块设备400固定器件定位框300内的被测器件，温度检测设备可以获取试验过程中的所述被测器件的壳温，并将壳温发送给外部工控机，通过实时测量被测器件壳温，可以在线计算热阻，即本实施例将温度探头设置在通孔130内，能直接测量器件的壳温，再通过温度变送器传回外部工控机，以监测试验状态、评估试验条件。整个装置利用机械结构直接紧固，没有采用pcb(printedcircuitboard，印制电路板)，也没有任何胶装结构，在频繁温度冲击下，避免了因不同材料温度系数不一致引起的连接部脱落、老化问题。由于功率循环试验整体周期很长，这些高可靠性的设计有效提高了装置的使用寿命，降低了长时间功率循环试验的成本。

本实施例的功率循环试验装置，通过机械结构的紧固实现了对被测器件的固定，保证了器件测试的稳定性，且可以快速散热，避免了装置器件损坏、连接脱落、老化等问题，使用寿命长，同时还监测被测器件的壳温，以便满足试验温度需求。

在一个实施例中，电极设备200包括：电极隔离定位框210、第一电极220和第二电极230。第一电极220和第二电极230的结构相同。

参见图1和图6，电极隔离定位框210固定在第一深度凹槽110中，电极隔离定位框210包括第一隔离槽211和第二隔离槽212，且第一隔离槽211和第二隔离槽212之间设有第三深度凹槽213，第三深度凹槽213用于放置被测器件。

参见图3和图5，第一电极220通过第一固定器件c固定在第一隔离211中，且第一电极220的第一端设有通孔，便于与外部加电设备连接，第一电极220的第二端与被测器件连接，其中，在第一固定器件c上，第一隔离槽211与第一电极220之间的位置设有弹簧；第二电极230通过第二固定器件d固定在第二隔离槽212中，且第二电极230的第一端设有通孔，便于与外部加电设备连接，第二电极230的第二端与被测器件连接，在第二固定器件d上，第二隔离槽212与第二电极230之间的位置设有弹簧；第一电极220与第二电极230对称固定在所述电极隔离定位框。

可选的，在第一电极220和第二电极230上与被测器件连接的位置均进行磨砂处理，确保被测器件在被弹性压块设备400压紧后与第一电极220和第二电极230接触紧密。

可选的，底座100、第一电极220和第二电极230均采用铜材料制备。一体式黄铜材质的底座100使装置具有极好的导热、散热性能，器件接地端接触底座100，底座100也可直接安装在散热器或散热台上，使装置本身的热阻极小，保证了功率循环试验过程中对被测器件结温变化范围的控制，且本实施例采用高截面积黄铜电极作为加电端，可以有效降低电极的电阻，保证装置对大电流的耐受。

在一个实施例中，参见图2，弹性压块设备400包括：压块壳体410、压块本体420和调节旋钮430。调节旋钮430用于调节压块本体420对被测器件的压力，即用户可以根据实验需求调节压块本体420与被测器件之间的距离。

参见图1，压块壳体410通过至少两个定位螺钉a固定在底座100上方，其中，在定位螺钉a上，压块壳体410与底座100之间的位置设有弹簧；压块本体420通过轴位螺钉b固定在压块壳体410下端；调节旋钮430设置在定位螺钉a顶端，通过弹簧-压块-被测器件-电极-弹簧的组合方式，在保证接固紧密性的同时，又能避免操作不当、压力过大引起的器件损坏。可选的，调节旋钮430可以为滚花高螺母。

可选的，电极隔离定位框210、器件定位框300和压块本体420均采用陶瓷材料制备，保证了装置对高温的耐受。

具体的，参见图4，在本实施例装置的底座100上的器件定位槽(第二深度凹槽120)内挖有一个通孔130，置入了温度传感器探头，直接测试器件的壳温，通过温度变送器采集到外部工控机，参见图2，底座100上挖有两个螺纹孔140，用于安装弹性压块设备400的定位螺钉，同时底座100的四个角上还可以挖有四个定位孔150，可通过螺钉和导热硅脂将底座100安装在散热平台上。装置的加电端采用黄铜电极，利用大截面积、高电导率材料保证对大电流的耐受，可使用螺栓紧固高温粗径漆包线实现外部加电设备两个电极的连接，同时两个电极与器件接触部分采用磨砂处理，确保压紧后与器件接触紧密。电极隔离定位框210、器件定位框300和弹性压块都采用陶瓷材料，起到定位、紧固电极和紧固被测器件的作用。电极隔离定位框210和底座100可通过螺钉进行连接紧固，电极两侧和电极隔离定位框210之间采用弹簧加轴位螺钉的方法进行组装。弹性压块设备400可以采用滚花高螺母与定位螺钉、压缩弹簧与轴位螺钉配合进行压力力度调节的控制，再通过电极与电极隔离定位框210之间的弹簧上下配合，在器件被压紧后弹簧被压缩，可以提供足够的紧固压力，又能避免操作不当使器件受损。

上述实施例中，采用组合式结构，包括加电电极、底座100、电极隔离定位框210、器件定位框300和弹性压块等部分，第一电极220、第二电极230和底座100采用一体式黄铜结构，电导率大、导热性能好，可耐受较大电流，同时电极隔离定位框210、器件定位框300和弹性压块等绝缘部件采用陶瓷，在具有绝缘性能的同时也能耐受高温，另外整个装置用机械方式直接组合紧固，没有采用胶装、贴装部件，能够有效保证装置的热学、电学可靠性，同时获得良好的导热散热性能，避免了器件的损坏老化等问题，降低了成本。

本发明实施例还提供了一种半导体器件的功率循环试验系统，参见图7，包括：工控机600、加电设备700、热学测试仪800和上述实施例提供的任一项的半导体器件的功率循环试验装置，也具有上述实施例的任一种有益效果。

加电设备700与工控机600、第一电极220设有通孔的一端和第二电极230设有通孔的一端连接，热学测试仪800与工控机600连接，热学测试仪800还与第一电极220设有通孔的一端或第二电极230设有通孔的一端连接，工控机600与功率循环试验装置的温度检测设备连接。

加电设备700在预设周期数内对第一电极220和第二电极230进行循环加电，热学测试仪800根据用户输入标定电压结温曲线，并在试验过程中，加电设备700未加电时，对第一电极220或第二电极230输出较小的预设电流获取被测器件的当前电压，根据预先标定的电压结温曲线确定与被测器件的当前电压对应的结温，将所述结温发送给工控机600；工控机600可以控制加电设备700在预设周期数内对电极设备200进行循环加电，还获取被测器件的壳温和结温，在壳温、所述结温和结温变化量中的任一种不满足预设温度条件时控制所述加电设备700停止工作，本实施例可以同时得到试验过程中的结温和壳温，所以可以在线测定器件的热阻。

在实际功率循环试验中，被测器件的结温的最大值不得超过器件的额定值，一次循环中结温的变化量不得低于试验的要求值，因此功率循环试验的效果取决于试验中对结温的控制，结温变化量不够无法达到试验考核筛选的目的，结温过高则会造成器件非正常损坏，带来不必要的损失。进一步地，功率循环试验中常常要求器件通断状态的结温变化量△tj≥100℃，并在数秒内完成转换，温度变化范围大、变化速度快，根据标准iec60749-34，功率循环中的通断时间如不采用固定时间设置，则应该通过监测结温或壳温来控制，并要求一个循环周期结束、重新加电前结温和壳温的温差不能超过5℃，且有一些分钟级的大周期功率循环控制策略还与壳温变化量△tc有关，这种控制策略在评价引线失效的同时兼顾了焊料层疲劳老化失效。因此，器件结温和壳温的监测与控制是功率循环试验的关键内容，同时要控制器件的结温快速升降。

所以本实施例通过热学测试仪800和温度检测设备来监控试验环境中的被测器件的壳温和结温，即利用电学法监控器件的结温：通过预先标定被测器件的电压vf-结温tj曲线，将装置加电端接入热学测试仪800测试电压vf，可在试验过程中监测器件的结温，保证试验过程中的结温变化量△tj满足要求，同时监测tj的最大值不超过上限，否则关断并报警。本实施例还通过装置的金属材料、散热台910和散热设备920进行快速散热，满足一个循环周期结束、重新加电前结温和壳温的温差不能超过5℃。

进一步地，本实施例的工控机600具体可以用于：

在所述壳温大于预设壳温时，发出警报并控制加电设备700停止工作。

在所述结温大于预设结温时，发出警报并控制加电设备700停止工作。

在结温变化量不满足预设变化量时控制加电设备700停止工作。

在壳温变化量不满足预设变化量时控制加电设备700停止工作。

在工控机600发出警报或加电设备700停止工作时，则测试人员需要检查样品或更改实验条件等。

工控机600还用于在试验开始前，根据用户输入设置加电设备700的通断时长、散热设备920的通断时长以及最大循环周期数。进一步地，若壳温、结温、壳温变化量、结温变化量以及在循环加电过程中，均未出现报错、报警或异常，则工控机600判断当前循环是否达到最大循环周期数，若达到则本次测试完成，当前被测器件为正常合格器件。

可选的，参见图8，本实施例的加电设备700包括：直流电源710和负载开关720；参见图7，直流电源710的第一电压端与电极设备200其中的一端连接，直流电源710的第二电压端与负载开关720的第一端连接，直流电源710的地端与功率循环试验装置的底座100连接；负载开关720的第二端与电极设备200其中的另一端连接。

具体的，工控机600通过控制负载开关720的通断，使直流电源710在预设周期数内对电极设备200进行循环加电，实现功率循环试验的稳定进行。

进一步地，半导体器件的功率循环试验系统还可以包括：散热台910和散热设备920；半导体器件的功率循环试验装置通过导热硅脂和螺钉固定在散热台910上，散热台910在加电设备700加电时对半导体器件的功率循环试验装置进行散热；散热设备920设置在散热台910的一侧，在加电设备700未加电时，工控机600控制散热设备920对半导体器件的功率循环试验装置进行散热。

具体的，在本实施例的功率循环试验系统中，装置安装到散热台910上，被测器件放置于器件定位框300内，通过下置弹簧的黄铜电极引出至加电端。弹性压块压于被测器件上表面，调节滚花高螺母至合适压接力度以保证被测器件与下表面黄铜电极、底座100、上表面压块平面均接触良好。加电端末端与黄铜电极通过螺钉与高温粗径漆包线连接，另一端接到电源输出端。

试验过程中，被测器件始终导通，通过工控机600控制负载开关720的通断进行功率循环，通电时器件结温迅速升高，为提高效率，通常通电期间散热器不工作，预计结温变化量达到要求后断电，断电时器件不再发热，同时散热器开始工作以尽快降低器件温度。为监测试验过程中器件的结温，试验开始前标定被测器件的电压vf-结温tj曲线，进行试验时，在负载开关720关断后将装置加电端和地线并入热学特性测试仪，施加小电流信号，测量器件pn结的电压vf得出器件结温，壳温用装置底部置入的温度探头直接测量，当结温变化量△tj不满足要求时报错，当监测到的壳温、结温出现异常时断电报警，保证试验指标、保护器件，也可以根据监测到的壳温和结温评估实验条件的设置是否合理、在线测量热阻等。

上述实施例中，可应用于smd封装电力电子器件的功率循环试验，针对功率循环试验中大电流、高温、频繁温度变化的特点，设计了组合紧固的机械结构，导电部采用一体式黄铜材质，绝缘部采用陶瓷，能够耐受300℃高温和200a以上的工作电流，能耐受频繁温度冲击，同时具有优异导热散热性能，能在大功率大电流循环通断条件下，维持器件的结温在给定幅度上快速变化，进行功率循环，保证了试验的稳定进行，满足试验需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。