CN104155335A - 高精度自动化晶体管试验参数采集系统 - Google Patents
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Abstract
一种高精度自动化晶体管温度测试采集系统，不仅能实现自动采集分析晶体管压力温度变化，还能实现晶体管电性能测试，包括：伺服电机施力结构、测试电路、恒温散热台、温度及压力传感器、信息采集及对比系统5大组成部分。其温度测试系统控制程序软件和人机界面软件均自主开发，解决了现有热阻测试设备不能自动测试采集晶体管压力及管壳温度的问题；温度传感器，其小面积内测试温度能达到0.1摄氏度的精度要求，解决了管壳表面温度的测试难题；自动压力施压系统，由压力传感器、缓冲器、步进微距和隔热器件组成，解决“压力施压过程中，既不损伤晶体管外观和机构自身对器件发热的影响，又能够以0.1%的精度压力进行缓慢增压”的问题。
Description
技术领域
本发明属于光机电一体化技术领域，具体的是一种高精度自动化晶体管温度测试采集系统。
背景技术
晶体管的可靠性是该产品本身所固有的,它的可靠性同原始设计是否合理以及工艺质量控制是否严格有着极密切的关系。然而由于批量生产过程中不可避免的各种因素产生的潜在缺陷,如:原材料、设备状况及相关工艺条件的某些变动,这样使生产制造出来的晶体管,即使有合理的原始设计及良好的工艺控制,也不能保证生产出的器件完全达到规范的要求。因此通过对产品进行充分的可靠性摸底试验,并结合使用条件和可靠性等级制定的工艺筛选是提高晶体管可靠性不可缺少的重要工序。然而，目前现有的仪器只能实现器件电性能测试，对测试过程中晶体管的温度压力变化分析研究主要采用手动方式操作和数据人工记录，不能实时自动分析。
热阻是依据半导体器件PN结在指定电流下两端的电压随温度变化而变化为测试原理，来测试功率半导体器件的热稳定性或封装等的散热特性。散热性差的产品在应用过程中，容易因温升过高导致失效，而在晶体管的应用过程中，其承受的外部压力对管壳温度有较大影响。因此，研究开发一种热阻测试设备用温度测试采集分析系统十分必要。然而，目前国内的热阻测试设备研发仅测重于晶体管的电性能测试应用，对于管壳温度测试也仅限于手动测试、记录和人工分析，工作量大且耗时，测试精度也较低。
目前，国内对晶体管的温度压力变化分析研究主要采用手动方式操作和数据人工记录，尚无晶体管压力温度自动采集系统的研发生产企业。
发明内容
本发明针对上述现状和问题，提供了一种高精度自动化晶体管温度测试采集系统，该系统能精确控制晶体管承受的压力，实时监控晶体管管壳温度，并绘制压力及温度变化曲线，进行自动分析；能为晶体管应用设计提供有效依据，防止失效；可用于指导企业生产，使生产单位提前剔除次品和不合格产品，降低废品率，节约生产成本。
一种高精度自动化晶体管温度测试采集系统，主要用于晶体管热阻测试用温度控制，不仅能实现自动采集分析晶体管压力温度变化，还能实现晶体管电性能测试，可用于生产企业指导生产，提高企业产品合格率，包括：伺服电机施力结构、测试电路、恒温散热台、温度及压力传感器、信息采集及对比系统5大组成部分，其硬件结构包括上部下压机构、前后移动板，左右移动滑台、恒温测试台、显示操作界面，其中上部下压机构包括传动螺杆、定位倒向杆及轴承、同步轮及同步带、压力传感器和绝热压板。
本发明温度测试系统控制程序软件和人机界面软件均自主开发，解决了现有热阻测试设备不能自动测试采集晶体管压力及管壳温度的问题；温度传感器，其小面积内测试温度能达到0.1摄氏度的精度要求，解决了管壳表面温度的测试难题；自动压力施压系统，由压力传感器、缓冲器、步进微距和隔热器件组成，解决“压力施压过程中，既不损伤晶体管外观和机构自身对器件发热的影响，又能够以0.1%的精度压力进行缓慢增压”的问题。
附图说明
图1是开尔文四线检测原理，
图2是本发明设备接线图，
图3是本发明测试系统框图，
图4是本发明系统硬件结构图，
图5是本发明上部下压机构结构示意图。
图中：1、上部下压机构，2、前后移动板，3、左右移动滑台，4、恒温测试台，5、显示操作界面，6、传动螺杆，7、定位倒向杆及轴承，8、同步轮及同步带，9、压力传感器，10、绝热压板。
具体实施方式
参见图1-5，一种高精度自动化晶体管温度测试采集系统，主要用于晶体管热阻测试用温度控制，主要由伺服电机施力结构、测试电路、恒温散热台、温度及压力传感器、信息采集及对比系统5大部分组成，各部分技术设计方案及实现过程说明如下：
1）伺服电机的施力结构
伺服电机的施力结构采用的是螺旋式传动机构，通过PLC控制并设定好单步运动行程来实现高精度的下压行程，根据实际压力需求来控制下压行程的大小。施压结构与被测产品的接触面为绝热材料聚酰亚胺(PI)。PI是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达 400℃以上 ，长期使用温度范围-200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能，103 赫下介电常数4.0，介电损耗仅0.004～0.007，属F至H级绝缘材料，其性能指标具体如下：
弯曲强度(20℃)： ≥170Mpa
导热系数：0.021w/m.k ℃
密度 ：1.38～1.43g/cm3
冲击强度(无缺口)： ≥28kJ/m2
拉伸强度 ：≥100 MPa
维卡软化点 ：>270℃
伸长率：>120%
PI材料能有效隔离工作器件与周围环境温度的对流，并尽可能的实现器件温度的单向传导。
2）测试电路
测试电路采用开尔文四线测试方法进行。开尔文四线检测（Kelvin Four-terminal sensing）也被称之为四端子检测（4T检测， 4T sensing）, 其检测原理如图1所示，
四线检测或4点探针法，它是一种电阻抗测量技术，使用单独的对载电流和电压检测电极，相比传统的两个终端（ 2T）传感能够进行更精确的测量。开尔文四线检测被用于一些欧姆表和阻抗分析仪，并在精密应变计和电阻温度计的接线配置。也可用于测量薄膜的薄层电阻。四线检测的关键优点是分离的电流和电压的电极，消除了布线和接触电阻的阻抗。
3）恒温测试台
恒温测试台是由导热很好的紫铜加工而成，能很好的保证在使用过程中良好的导热。恒温台里面制冷管道采用的是“S”型双层盘管结构，恒温测试台通过管道接口与制冷机进行连接，将制冷机冷凝剂均匀导入到恒温的盘管结构，散热效果良好。
4）温度及压力传感器
温度传感器为PT100传感器，感应温度误差为正负0.1℃，温度传感器安装在恒温台上的固定位置，通过其本身带有的弹性装置，可实现感应面与器件的有效接触；温度传感器与恒温台的接触面采用绝热系数非常好的PI材料进行隔离，防止在测试过程中因恒温台制冷效果带来测试结果的偏离。温度采集系统的接线方式采用的是并联接线；器件的每个管脚通过探针引出来2根屏蔽线，屏蔽线由探针管脚引线到整个系统后背板上的6个开放式接口和6个SMA接口；然后再由开放式接口接到测试系统分析仪器，仪器接收到数据进行记录分析，见设备接线图。
全部用低噪声屏蔽线，其中UCB线和Ie-的单芯屏蔽线要粗，要有足够的电流，UCB的线屏蔽层接B,IE的屏蔽线在E引脚悬空不接，SENSOR CURRENTS和DVMIN的线用单芯屏蔽线连接，屏蔽线或接B和接E。
MEASURE最好用双芯屏蔽线，如果用单芯屏蔽线用2根也可。1脚接B,2脚接E。
压力传感器的材料为316L不锈钢。压力传感器的显示通过显示器实时显示压力数值，使用者可根据实际测试需求进行压力调整，PLC控制系统会将最后实际数值进行记录并存档。其感应精度见表2-1：
表2-1:感应精度表
| 感应精度性能指标 | 值 |
| 额定载荷 | 0kg----10KG |
| 综合精度 | 0.5%（线性、滞后、重复性） |
| 灵敏度 | 1.0---1.5mV/V |
| 蠕变 | ±0.5%F·S/30min |
| 零点输出 | ±1%F·S |
| 零点温度影响 | ±0.5%F·S/10℃ |
| 输出温度影响 | ±0.5%F·S/10℃ |
| 工作温度 | -20℃---65℃ |
| 输入阻抗 | 350±20Ω |
| 输出阻抗 | 350±3Ω |
| 绝缘电阻 | ＞5000MΩ |
| 安全过载 | 150%F·S |
| 供桥电压 | 10V |
| 材质 | 合金钢 |
5）信息采集及对比系统
本发明采用PLC进行数据采集实时与PC机进行数据交换，将PT100温度传感器、压力传感器给的电压信号通过PLC转换成数字信号进行存储和传输，并将数据在pc机设计软件上进行实时反馈。
（3）系统功能
本发明可完全满足用户测试需求，且具有测试精度高、自动化程度高等优势，其功能主要有：
1）测试元器件的在正常工作的情况下，能测试元器件表壳的温度曲线变化。
2）测试元器件的在正常工作的情况下，能测试元器件表壳的温度曲线变化是否会随着
施加到器件表壳的压力变化而改变。
3）采用开尔文四线测试法进行测试，能实现器件电性能测试。
4）能将PLC采集好的数据传输到PC机进行结果分析。
本发明使用操用步骤说明如下：
第1步：开启电源，在显示屏上调整所需参数。
第2步：把被测件放入测试台。
第3步：移动前后调节锁板（或左右调节锁板），使被测件对正压板。
第4步：恒温散热台面与冷水机开始工作，确保恒温散热台符合测试需求。
第5步：按《运行》按键是下压机构进行工作，并根据压力传感器的数据来调节下压行程。
第6步：确认施加压力和已经达到需要数值后，给器件进行供电工作。
第7步：待温度传感器平稳工作时开始记录采集数据。
第8步：PLC采集并存储数据。
第9步：将PLC通过串口线与PC机进行连接，把采集到的数据传输到PC机进行系统分析。
第10步：确认分析结果是否符合实验要求。
注：恒温回流体由始至终不间断回流使测试台达到测试温度才开始测试。
本发明解决的关键技术问题：
1）温度测试系统，系统控制程序软件和人机界面软件均自主开发，解决了现有热阻测试设备不能自动测试采集晶体管压力及管壳温度的问题。
2）温度传感器，其小面积内测试温度能达到0.1摄氏度的精度要求，解决了管壳表面温度的测试难题。
3）自动压力施压系统，由压力传感器、缓冲器、步进微距和隔热器件组成，解决“压力施压过程中，既不损伤晶体管外观和机构自身对器件发热的影响，又能够以0.1%的精度压力进行缓慢增压”的问题。
主要技术指标
1）采用自主研发的温度测试系统，实时自动采集、测试和分析晶体管压力及温度变化。
项目自主研发了一种压力、温度测试程序和控制软件，能精确控制晶体管承受的压力，实时监控晶体管管壳温度，并绘制压力及温度变化曲线。本发明测试系统框图如图3所示，
恒温台采用恒温液体冷却方式，使用传热较好的紫铜整体加工而成，冷却液流动方式为“一进一出”方式，在恒温台内形成双层S型结构，使设备具有良好的恒温散热功能。测试使用开尔文测试方式，通电流处使用大电流探针（探针可通电流达30A），通电压使用的为簧片端子，与器件管腿的紧密结合，解决了在测试过程中可能出现的接触不良情况 。
本发明硬件结构如图4所示，包括上部下压机构、前后移动板，左右移动滑台、恒温测试台、显示操作界面。其中上部下压机构包括传动螺杆、定位倒向杆及轴承、同步轮及同步带、压力传感器和绝热压板，如图5.
该结构的创新之处在于：
1）整个施力结构的力源为伺服电机，能很好可靠的控制运动行程。
2）通过压力传感器准确的记录施力的大小并实时的反馈给操作者，确保施力的可控性。
3）绝热材料是器件本身的热量只能单方面传导，温度传感器得到的数据可靠性更高。
各部分主要使用材料及传感器性能指标说明如下：
1）恒温散热台所使用材料及参数
恒温散热台所使用材料为紫铜-T2，其参数如下表所示：
表2-2:T2的化学成份表
| 化学成份 | 比例 |
| Cu+Ag | 99.95% |
| Bi | 0.001% |
| Sb | 0.002% |
| As | 0.002% |
| Fe | 0.005% |
| Pb | 0.005% |
| S | 0.005% |
2）外框架所使用材料及参数
外框架所使用材料为AL6061-T6，其化学成分及力学性能等参数如下表所示：
表2-3:AL6061-T6参数表
| 化学成分及力学性能 | 参数值 |
| 铜Cu | 0.15%～0.4% |
| 锰Mn | 0.15% |
| 镁Mg | 0.8%～1.2% |
| 锌Zn | 0.25% |
| 铬Cr | 0.04%～0.35% |
| 钛Ti | 0.15% |
| 硅Si | 0.4%～0.8% |
| 铁Fe | 0.7% |
| 铝Al | 余量 |
| 极限抗拉强度 | 124 MPa |
| 受拉屈服强度 | 55.2 MPa |
| 延伸率 | 25.0 % |
| 弹性系数 | 68.9 GPa |
| 弯曲极限强度 | 228 MPa |
| Bearing Yield Strength | 103 MPa |
| 泊松比 | 0.330 |
| 疲劳强度 | 62.1 MPa |
3）绝热压板材料及参数
绝热压板材料为：聚安酯隔热板（PU隔热板），其参数如下表所示：
表2-4:PU隔热板参数表
| 化学成份 | 比例 |
| 导热系数 | 0.021w/m.k ℃ |
| 耐火温度 | -50℃～80℃ |
| 比重 | 3.53 kg/m3～4.97 kg/m3 |
| 耐压强度 | 0.2Mpa |
| 体积密度 | 49 kg/m3～69kg/m3 |
）压力传感器参数
压力传感器材质为316L不锈钢，其参数如下表所示：
表2-5: 压力传感器参数表
| 参数 | 值 |
| 灵敏度 | 1.0±20% mV/V |
| 零位输出 | ＜±0.05 mV/V |
| 非线性 | ＜±0.5% |
| 重复性 | ＜±0.3% |
| 滞后误差 | ＜±0.5% |
| 蠕变 | ＜±0.5% |
| 阻抗 | 350±3Ω |
| 额定激励电压 | 6（12V最大）V（DC/AC） |
| 绝缘阻抗 | ＞2[50VDC] GΩ |
| 正常工作温度范围 | -10℃～80 ℃ |
| 安全极限载荷 | 150 (% of full scale) |
| 破坏极限载荷 | 300(% of full scale) |
| 密封方式 | 密封，IP66 |
5）温度传感器参数
本项目温度传感器需要定制,使用材质为：PT100原装德国贺利氏A级，其参数如下表所示：
表2-6: 温度传感器参数表
| 参数 | 值 |
| 测试精度 | ±0.2℃ |
| 温度系数 | TCR=3850ppm/K |
| 温度范围 | -50℃～300℃ |
| R0漂移 | ≤0.04% |
| 抗振动等级 | 至少40g加速度 |
| 绝缘电阻 | ＞100MΩ |
本发明主要技术指标
本发明经教育部科技查新工作站00L07查新，结论表明：本项目在功能设计、测试精度等方面具有非常明显的创新性，未见述及晶体管试验参数采集系统的文献报道，技术优势非常明显。预计项目开发完成时，主要技术性能指标将达到以下要求：
1）设备具备恒温散热功能，其恒温台采用恒温液体冷却方式，恒温台使用传热较好的紫铜整体加工而成，冷却液流动方式为一进一出方式，在恒温台内为双层S型结构。
2）工作压力机构定位为前后2个位置手动滑台式结构。左右位置为手摇带丝杆和刻度定位的滑台结构。
3）设备上部滑动机构外观进行发黑处理，控制箱采用铝板喷砂处理。
4）设备有整体调平装置，每小槽有单独调平装置，且调节方便。
5）整个系统操作界面为7英寸，1600万色TFT液晶显示，分辨率800*480像素。
6）设备后面板具有晶体管电性能测试端口和工作电压输入端口，并具有USB数据拷贝端口。
7）压力系统加压最大可达10Kg压力，其加压精度为1%施压分辨精度。
8）系统每次只做其中一个产品的温度测试，但每个位置的晶体管在测试过程中均可进行温度采集和压力采集，温度采集范围为-100℃-350℃、精度为±0.1℃。
9）电源：单相220V±10％，50Hz。
10）设备操作安全可靠，符合国家GB5226.1-2008标准。
Claims (1)
1. 一种高精度自动化晶体管温度测试采集系统，其特征在于：包括伺服电机施力结构、测试电路、恒温散热台、温度及压力传感器、信息采集及对比系统5大组成部分，其硬件结构包括上部下压机构、前后移动板，左右移动滑台、恒温测试台、显示操作界面，其中上部下压机构包括传动螺杆、定位倒向杆及轴承、同步轮及同步带、压力传感器和绝热压板。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410177002.8A CN104155335A (zh) | 2014-04-29 | 2014-04-29 | 高精度自动化晶体管试验参数采集系统 |
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|---|---|
| CN104155335A true CN104155335A (zh) | 2014-11-19 |
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