CN106291309A - 一种功率半导体芯片测试单元及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种功率半导体芯片测试单元及其测试方法。与现有技术相比，所述测试单元包括集电极、被测芯片子模组、PCB板、固定框架和发射极；集电极和发射极的外部侧壁上分别设置有集电极限位凹槽和发射极限位凹槽，固定框架的内部侧壁上设置有限位凸台；集电极、被测芯片子模组、PCB板和发射极顺次叠放在固定框架内，且限位凸台嵌入在集电极限位凹槽和发射极限位凹槽内。本发明提供的一种功率半导体芯片测试单元及其测试方法，可以限制测试单元内各部件的纵向位移而只存在轴向位移，不仅利于对被测芯片子模组进行随时拆卸和压力加载，还能保证在多次测试过程测试单元内各部件的位置相对固定。
Description
技术领域
本发明涉及电力半导体器件封装测试技术领域，具体涉及一种功率半导体芯片测试单元及其测试方法。
背景技术
压接型大功率半导体器件，如压接型IGBT器件(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)，具有功率密度大、双面散热、易于串联以及可靠性高等优点，并己逐步应用于电力系统的高压直流输电、电力机车等高电压、大功率应用场合。随着智能电网的发展，尤其是未来全球能源互联网的构建，压接型大功率半导体器件在电网中的需求量将会越来越大，这也对压接型大功率半导体器件的性能和可靠性提出了严格地要求。
压接型大功率半导体器件一般通过器件间的串联来提高工作电压、通过器件内部多芯片并联来提高单个器件的电流。图1为压接型大功率半导体器件的内部截面示意图，如图所示，压接型大功率半导体器件包括多个并联的子模组，各子模组分别由集电极侧钼片21、半导体芯片22、发射极侧钼片23、银垫片24直接接触组成，通过外部施加压力使各子模组的各构件之间保持良好地电气与机械接触。当测试压接型大功率半导体器件的半导体芯片22的性能，尤其是测试单个半导体芯片22的性能时，子模组中各个构件之间存在与压力、温度等因素有关的接触热阻和接触电阻会对测试结果产生一定的影响。同时，子模组的封装管壳一般采用冷压焊的方法密封，对大量半导体芯片22进行性能测试时，必须破坏封装管壳逐个测试，测试步骤复杂、工作量大，不利于对大批量压接型大功率半导体器件进行性能串联。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种功率半导体芯片测试单元及其测试方法。
第一方面，本发明中一种功率半导体芯片测试单元的技术方案是：
所述测试单元包括集电极(1)、被测芯片子模组(2)、PCB板(3)、固定框架(4)和发射极(5)；
所述集电极(1)和发射极(5)的外部侧壁上分别设置有集电极限位凹槽(11)和发射极限位凹槽(51)，所述固定框架(4)的内部侧壁上设置有限位凸台(42)；
所述集电极(1)、被测芯片子模组(2)、PCB板(3)和发射极(5)顺次叠放在所述固定框架(4)内，且所述限位凸台(42)嵌入在所述集电极限位凹槽(11)和发射极限位凹槽(51)内。
进一步地，本方面提供一个优选技术方案为：所述测试单元还包括散热器；所述散热器分别固定在所述集电极(1)的上表面和所述发射极(5)的下表面；
所述集电极(1)的上表面设置有集电极定位凹槽(12)，用于嵌入所述散热器的定位销；
所述发射极(5)的下表面设置有发射极定位凹槽(52)，用于嵌入所述散热器的定位销。
进一步地，本方面提供一个优选技术方案为：所述被测芯片子模组(2)包括集电极侧钼片(21)、功率半导体芯片(22)、发射极侧钼片(23)、垫片(24)和塑料框架(25)；
所述集电极侧钼片(21)、功率半导体芯片(22)、发射极侧钼片(23)和垫片(24)顺次叠放在所述塑料框架(25)内；
所述集电极侧钼片(21)与所述集电极(1)直接接触，所述垫片(24)与所述发射极(5)直接接触。
进一步地，本方面提供一个优选技术方案为：所述被测芯片子模组(2)还包括弹簧引针(26)；
所述塑料框架(25)包括一个弹簧引针通道(27)；所述弹簧引针(26)设置在弹簧引针通道(27)内，弹簧引针(26)的一端与所述功率半导体芯片(22)的门极直接接触，另一端与所述PCB板(3)直接接触。
进一步地，本方面提供一个优选技术方案为：所述PCB板(3)上焊接有一个引线端子(31)，所述固定框架(4)的侧壁上还设置有预留窗口(41)；
所述引线端子(31)与所述预留窗口(41)相对应，所述被测芯片子模组(2)的驱动信号线通过所述预留窗口(41)与所述引线端子(31)连接。
进一步地，本方面提供一个优选技术方案为：
所述固定框架(4)为环氧树脂框架。
第二方面，本发明中一种功率半导体芯片测试单元的测试方法的技术方案是：
所述测试单元包括集电极(1)、被测芯片子模组(2)、PCB板(3)、固定框架(4)、发射极(5)和散热器；
所述集电极(1)和发射极(5)的外部侧壁上分别设置有集电极限位凹槽(11)和发射极限位凹槽(51)，所述固定框架(4)的内部侧壁上设置有限位凸台(42)；所述被测芯片子模组(2)包括顺次叠放在塑料框架(25)内的集电极侧钼片(21)、发射极侧钼片(23)和垫片(24)；所述散热器分别固定在所述集电极(1)的上表面和所述发射极(5)的下表面；
所述测试方法包括：
依据被测功率半导体芯片的测试项目确定其集电极电流、测试压力和驱动信号；
将所述被测功率半导体芯片放置在集电极侧钼片(21)和发射极侧钼片(23)之间；
将所述集电极(1)、被测芯片子模组(2)、PCB板(3)和发射极(5)顺次叠放在所述固定框架(4)内，且所述限位凸台(42)嵌入在所述集电极限位凹槽(11)和发射极限位凹槽(51)内；
通过集电极(1)和发射极(5)两端的散热器向被测半导体芯片施加所述集电极电流对应的测试电流和所述测试压力；通过所述PCB板(3)向所述功率半导体芯片的门极发送驱动信号。
与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种功率半导体芯片测试单元，通过设置集电极限位凹槽11、发射极限位凹槽51和限位凸台42，可以固定集电极1、被测芯片子模组2、PCB板3和发射极5，限制测试单元内各部件的纵向位移而只存在轴向位移，不仅利于对被测芯片子模组2进行随时拆卸和压力加载，还能保证在多次测试过程测试单元内各部件的位置相对固定；
2、一种功率半导体芯片测试单元的测试方法，通过固定框架4和塑料框架15对被测芯片子模组2进行固定，可以保证在测试过程中被测功率半导体芯片的接触界面的接触热阻和接触电阻不发生改变，降低对测试结果的影响，同时通过散热器向测试单元施加压力可以测试被测功率半导体芯片在不同压力条件下的电气特性和可靠性。
附图说明
图1：压接型大功率半导体器件的内部截面示意图；
图2：本发明实施例中一种功率半导体芯片测试单元的爆炸视图；
图3：本发明实施例中一种功率半导体芯片测试单元的剖视图；
图4：本发明实施例中半导体芯片子模组的爆炸视图；
图5：本发明实施例中半导体芯片子模组断面视图；
其中，1：集电极；11：集电极限位凹槽；12：集电极定位凹槽；2：半导体芯片子模组；21：集电极侧钼片；22：功率半导体芯片；23：发射极侧钼片；24：银垫片；25：塑料框架；26：弹簧引针；27：弹簧引针通道；3：PCB板；31：PCB板外部插口；4：固定框架；41：固定框架预留窗口；42：限位凸台；5：发射极；51：发射极限位凹槽；52：发射极定位凹槽；6：基座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图，对本发明实施例提供的一种功率半导体芯片测试单元进行说明。
图2为本发明实施例中一种功率半导体芯片测试单元的爆炸视图，图3为本发明实施例中一种功率半导体芯片测试单元的剖视图，如图所示，本实施例中功率半导体芯片测试单元包括集电极1、被测芯片子模组2、PCB板3、固定框架4和发射极5。其中，
集电极1的外部侧壁上设置有集电极限位凹槽11。
发射极5的外部侧壁上设置有发射极限位凹槽51。
固定框架4的内部侧壁上设置有限位凸台42，本实施例中固定框架4可以采用环氧树脂框架。
集电极1、被测芯片子模组2、PCB板3和发射极5顺次叠放在固定框架4内，且限位凸台42嵌入在集电极限位凹槽11和发射极限位凹槽51内。
本实施例中通过设置集电极限位凹槽11、发射极限位凹槽51和限位凸台42，可以固定集电极1、被测芯片子模组2、PCB板3和发射极5，限制测试单元内各部件的纵向位移而只存在轴向位移，不仅利于对被测芯片子模组2进行随时拆卸和压力加载，还能保证在多次测试过程测试单元内各部件的位置相对固定。
进一步地，本实施例中测试单元还可以包括下述结构。
本实施例中测试单元还包括散热器，散热器分别固定在集电极1的上表面和发射极5的下表面。其中，
集电极1的上表面设置有集电极定位凹槽12，用于嵌入散热器的定位销，从而固定散热器。发射极5的下表面设置有发射极定位凹槽52，用于嵌入散热器的定位销，从而固定散热器。
本实施例中散热器可以对被测芯片子模组2进行散热，还可以向其发射极传输电流，向其集电极传输电流和压力。同时，通过控制散热器内冷却液的流通可以实现对被测芯片子模组2进行单面散热和双面散热，从而满足对被测半导体功率芯片的所有测试要求。本实施例中对被测半导体功率芯片的测试主要包括静态测试、动态测试、压力测试和可靠性测试，其中可靠性测试主要包括功率循环测试、温度循环测试、高温栅偏测试、高温反偏测试和热阻测试等，本实施例中所有测试均可采用常规测试方法。
进一步地，本实施例中被测芯片子模组可以包括下述结构。
图4为本发明实施例中半导体芯片子模组的爆炸视图，图5为本发明实施例中半导体芯片子模组断面视图，本实施例中被测芯片子模组2包括集电极侧钼片21、功率半导体芯片22、发射极侧钼片23、垫片24、塑料框架25和弹簧引针26。其中，
集电极侧钼片21、功率半导体芯片22、发射极侧钼片23和垫片24顺次叠放在塑料框架25内，集电极侧钼片21与集电极1直接接触，垫片24与发射极5直接接触。
塑料框架25包括一个弹簧引针通道27，弹簧引针26设置在弹簧引针通道27内，弹簧引针26的一端与功率半导体芯片22的门极直接接触，另一端与PCB板3直接接触。本实施例中弹簧引针26用于传输被测功率半导体芯片的驱动信号，同时弹簧引针26可以发生一定的形变以保证被测功率半导体芯片的门极与PCB板3之间具有良好的接触。
本实施例中将集电极侧钼片21、功率半导体芯片22、发射极侧钼片23和垫片24叠放在塑料框架25内，塑料框架25在起到支撑作用的同时，还可以使得在测试过程中被测芯片子模组2内各组件位置相对固定，避免被测功率半导体芯片受到外部损坏和污染，并具有可替换性提高了被测芯片子模组2的利用率、降低了加工成本。
进一步地，本实施例中PCB板还包括下述结构。
本实施例中PCB板3用于接收被测功率半导体芯片的驱动信号，并对其进行数据转换后将驱动信号通过弹簧引针26传输至被测功率半导体芯片的门极。
PCB板3的上表面为铜层，下表面为绝缘层以隔离驱动信号和外部电流。同时PCB板3上还焊接有一个引线端子31，固定框架4的侧壁上还设置有预留窗口41。引线端子31与预留窗口41相对应，被测芯片子模组2的驱动信号线通过预留窗口41与引线端子31连接。
下面对本发明实施例提供的一种功率半导体芯片测试单元的测试方法进行说明。
本实施例中测试单元的结构如图1和2所示，包括集电极1、被测芯片子模组2、PCB板3、固定框架4、发射极5和散热器。其中，
集电极1的外部侧壁上设置有集电极限位凹槽11，发射极5的外部侧壁上设置有发射极限位凹槽51，固定框架4的内部侧壁上设置有限位凸台42。被测芯片子模组2包括顺次叠放在塑料框架25内的集电极侧钼片21、发射极侧钼片23和垫片24。散热器分别固定在集电极1的上表面和发射极5的下表面。
本实施例中功率半导体芯片测试单元的测试方法可以按照下述步骤实施。
步骤S101：依据被测功率半导体芯片的测试项目确定其集电极电流、测试压力和驱动信号。本实施例中测试项目主要包括静态测试、动态测试、压力测试和可靠性测试，其中可靠性测试主要包括功率循环测试、温度循环测试、高温栅偏测试、高温反偏测试和热阻测试等，本实施例中所有测试项目的测试方法均可采用常规测试方法。
步骤S102：将被测功率半导体芯片放置在集电极侧钼片21和发射极侧钼片23之间。
步骤S103：将集电极1、被测芯片子模组2、PCB板3和发射极5顺次叠放在固定框架4内，且限位凸台42嵌入在集电极限位凹槽11和发射极限位凹槽51内。
步骤S104：通过集电极(1)和发射极(5)两端的散热器向被测半导体芯片施加所述集电极电流对应的测试电流和测试压力；通过所述PCB板(3)向所述功率半导体芯片的门极发送驱动信号。
本实施例中通过固定框架4和塑料框架15对被测芯片子模组2进行固定，可以保证在测试过程中被测功率半导体芯片的接触界面的接触热阻和接触电阻不发生改变，降低对测试结果的影响，同时通过散热器向测试单元施加压力可以测试被测功率半导体芯片在不同压力条件下的电气特性和可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种功率半导体芯片测试单元，其特征在于，所述测试单元包括集电极(1)、被测芯片子模组(2)、PCB板(3)、固定框架(4)和发射极(5)；
所述集电极(1)和发射极(5)的外部侧壁上分别设置有集电极限位凹槽(11)和发射极限位凹槽(51)，所述固定框架(4)的内部侧壁上设置有限位凸台(42)；
所述集电极(1)、被测芯片子模组(2)、PCB板(3)和发射极(5)顺次叠放在所述固定框架(4)内，且所述限位凸台(42)嵌入在所述集电极限位凹槽(11)和发射极限位凹槽(51)内。
2.如权利要求1所述的一种功率半导体芯片测试单元，其特征在于，所述测试单元还包括散热器；所述散热器分别固定在所述集电极(1)的上表面和所述发射极(5)的下表面；
所述集电极(1)的上表面设置有集电极定位凹槽(12)，用于嵌入所述散热器的定位销；
所述发射极(5)的下表面设置有发射极定位凹槽(52)，用于嵌入所述散热器的定位销。
3.如权利要求1所述的一种功率半导体芯片测试单元，其特征在于，所述被测芯片子模组(2)包括集电极侧钼片(21)、功率半导体芯片(22)、发射极侧钼片(23)、垫片(24)和塑料框架(25)；
所述集电极侧钼片(21)、功率半导体芯片(22)、发射极侧钼片(23)和垫片(24)顺次叠放在所述塑料框架(25)内；
所述集电极侧钼片(21)与所述集电极(1)直接接触，所述垫片(24)与所述发射极(5)直接接触。
4.如权利要求3所述的一种功率半导体芯片测试单元，其特征在于，所述被测芯片子模组(2)还包括弹簧引针(26)；
所述塑料框架(25)包括一个弹簧引针通道(27)；所述弹簧引针(26)设置在弹簧引针通道(27)内，弹簧引针(26)的一端与所述功率半导体芯片(22)的门极直接接触，另一端与所述PCB板(3)直接接触。
5.如权利要求1所述的一种功率半导体芯片测试单元，其特征在于，所述PCB板(3)上焊接有一个引线端子(31)，所述固定框架(4)的侧壁上还设置有预留窗口(41)；
所述引线端子(31)与所述预留窗口(41)相对应，所述被测芯片子模组(2)的驱动信号线通过所述预留窗口(41)与所述引线端子(31)连接。
6.如权利要求1所述的一种功率半导体芯片测试单元，其特征在于，
所述固定框架(4)为环氧树脂框架。
7.一种功率半导体芯片测试单元的测试方法，其特征在于，所述测试单元包括集电极(1)、被测芯片子模组(2)、PCB板(3)、固定框架(4)、发射极(5)和散热器；
所述集电极(1)和发射极(5)的外部侧壁上分别设置有集电极限位凹槽(11)和发射极限位凹槽(51)，所述固定框架(4)的内部侧壁上设置有限位凸台(42)；所述被测芯片子模组(2)包括顺次叠放在塑料框架(25)内的集电极侧钼片(21)、发射极侧钼片(23)和垫片(24)；所述散热器分别固定在所述集电极(1)的上表面和所述发射极(5)的下表面；
所述测试方法包括：
依据被测功率半导体芯片的测试项目确定其集电极电流、测试压力和驱动信号；
将所述被测功率半导体芯片放置在集电极侧钼片(21)和发射极侧钼片(23)之间；
将所述集电极(1)、被测芯片子模组(2)、PCB板(3)和发射极(5)顺次叠放在所述固定框架(4)内，且所述限位凸台(42)嵌入在所述集电极限位凹槽(11)和发射极限位凹槽(51)内；
通过集电极(1)和发射极(5)两端的散热器向被测半导体芯片施加与所述集电极电流对应的测试电流和所述测试压力；通过所述PCB板(3)向所述功率半导体芯片的门极发送驱动信号。
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