CN108957036A

CN108957036A - 用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具

Info

Publication number: CN108957036A
Application number: CN201710382066.5A
Authority: CN
Inventors: 张雷; 潘艳; 李金元; 温家良; 王鹏; 李尧圣; 崔梅婷
Original assignee: Global Energy Interconnection Research Institute
Current assignee: Global Energy Interconnection Research Institute
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-12-07

Abstract

本发明提供了一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件可靠性夹具，其包括竖向平行设置的拉紧组件和所述拉紧组件间竖向设置的顶压组件、弹簧组件、散热器12、绝缘板13、定位销14和测试器件15。本发明提供的用于测定压接型IGBT器件可靠性夹具，通用性强，结构轻便紧凑，压力均匀，便于安装多个器件进行批量测试，并能保证不同环境条件下可靠的机械性能。

Description

用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具

技术领域

本发明涉及一种器件可靠性测试夹具，具体涉及一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具。

背景技术

当前绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件封装形式主要有焊接和压接两种，由于压接型IGBT器件具有无引线焊接点、易于串联、高可靠性、双面散热、低热阻、宽安全工作区(SOA)、高功率密度、独特的失效短路模式等特点，被越来越广泛地应用于高压直流输电系统、风电、电铁牵引等领域。在器件投入应用前，为确保器件的长期可靠性，制造商需要进行一系列的可靠性试验和设计验证。器件可靠性是指在一定条件下，器件所能执行一定功能的能力，是考核功率半导体器件的重要指标。焊接式IGBT单器件安装简单，容易放置在可靠性测试设备中，而压接型IGBT器件因其结构形式，对安装压力和散热等要求较高，需配备相应的工装夹具来安装器件，然后在测试设备中进行测试。

对于压接型IGBT器件，现有技术中没有标准的测试设备用夹具，测试使用的多为单器件夹具，存在安装不便，测试效率低，压力分布不均等问题，在高温高湿环境下，常出现机械结构因素导致的器件失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于压接型 IGBT器件可靠性测试的夹具，通用性强，结构轻便紧凑，压力均匀，便于安装多个器件进行批量测试，并能保证不同环境条件下可靠的机械性能。

为了达到上述目的，本发明提供了采用下述技术方案：

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，夹具1包括竖向平行设置的拉紧组件和所述拉紧组件间竖向设置的顶压组件、弹簧组件、散热器12、绝缘板13、定位销14和测试器件15。

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具的第一优选方案，拉紧组件包括上下法兰2和3和其间设有与所述上下法兰2和3垂直设置的绝缘拉杆4，所述上下法兰2和3通过定位挡板16连接，所述定位挡板16与所述散热器12贴合设置。

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具的第二优选方案，顶压组件通过锁紧件8与所述拉紧组件的上法兰连接，其间设有导向套5；所述顶压组件包括球面配合设计的顶压导杆6和顶压座7；所述导向套5与连接套17通过连接件18连接。

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具的第三优选方案，弹簧组件，包括碟形弹簧9和其与所述下法兰间设有碟簧垫片10，所述碟形弹簧9对合设计，其间设有T型碟簧导杆11。

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具的第四优选方案，散热器12采用翅片钎焊，侧面设有端子接线孔。

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具的第五优选方案，绝缘板13采用环氧层压板。

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具的第六优选方案，上下法兰2和3和散热器12按质量分数计由下述组份制备而得：Si： 0.20～0.6％，Fe:0.35％，Cu：0.10％，Mn：0.10％，Mg：0.45～0.9％，Cr：0.10％， Zn：0.10％，Ti：0.10％，余量为Al；所述绝缘拉杆4采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具的第七优选方案，顶压组件按质量分数计由下述组份制备而得：C：0.15％，Si％：1.00％， Mn：2.00％，P：0.20％，S：≥0.15％，Ni：8.00～10.00％，Cr：17.00～19.00％， Mo：0.60％。

一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具的第八优选方案，碟形弹簧9和碟簧垫片10按质量分数计由下述组份制备而得：C：0.56～ 0.64％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.60～0.9％，S：≤0.035％，P：≤0.035％，Cr：≤0.35％，Ni：≤0.35％，Cu：≤0.25％，V：0.08～0.16％，B：0.0005～0.0035％，余量为Fe。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

(1)本发明提供的夹具机构结构采用叠层串压结构形式，结构紧凑，满足不同数量不同规格器件的测试要求；夹具机构采用小型液压装置与夹具机构连接固定后加压，与用压力机或者工装台顶压上法兰方式比较，安装更方便灵活。

(2)本发明提供的夹具机构中测试器件电气回路可串联测试，也可并联测试，并联时相互独立，保证测试准确可靠。

(3)本发明提供的夹具机构含有一定数量对合组合的碟形弹簧，热膨胀产生的应力变化小，满足测试器件压力变化范围；顶压导杆和顶压座采用大球面配合设计，避免配合偏差引起的压力偏离问题；顶压座和碟簧导杆截面尺寸与测试器件截面相匹配，使测试器件内部各芯片受力均匀；顶压组件中采用转动锁紧螺母调节压缩碟形弹簧产生的间隙，安装简单可靠，压力变化小。

附图说明

图1：本发明测定压接型IGBT器件可靠性夹具示意图；

图2：本发明测定压接型IGBT器件可靠性夹具剖视图；

图3：本发明测定压接型IGBT器件可靠性夹具的拉紧组件示意图；

图4：本发明测定压接型IGBT器件可靠性夹具的顶压组件示意图；

图5：本发明测定压接型IGBT器件可靠性夹具的弹簧组件示意图；

其中，1夹具；2上法兰；3下法兰；4绝缘拉杆；5导向套；6顶压导杆； 7顶压座；8锁紧件；9蝶形弹簧；10蝶形垫片；11碟簧导杆；12散热器； 13绝缘板；14定位销；15测试器件；16定位挡板；17连接套；18连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例作进一步详细说明，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

本发明中压接型IGBT器件可靠性测试的夹具机构，具体实施方案如下：

夹具机构1整体采用叠层串压结构形式，立体图如图1所示。夹具机构1 主要包括拉紧组件(上法兰2、下法兰3和绝缘拉杆4)、顶压组件(导向套5、顶压导杆6、顶压座7和锁紧件8)、弹簧组件(碟形弹簧9、碟簧垫片10和碟簧导杆11)、散热器12、极间绝缘板13、定位销14、测试器件15，定位挡板16、连接套17、连接件18，如图2所示。

所述拉紧组件中上法兰2和下法兰3按质量分数计由下述组份制备而得：Si： 0.20～0.6％，Fe:0.35％，Cu：0.10％，Mn：0.10％，Mg：0.45～0.9％，Cr：0.10％， Zn：0.10％，Ti：0.10％，余量为Al，状态为T6，密度低，并具备较高的机械强度，表面阳极氧化处理。绝缘拉杆4为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料引拔加工件，抗拉性能和绝缘性能优良，两端配有螺母，如图3所示。可根据压装不同数量器件的高度，调整绝缘拉杆4的长度。

所述顶压组件中导向套5、顶压导杆6、顶压座7和锁紧件8按质量分数计由下述组份制备而得：C：0.15％，Si％：1.00％，Mn：2.00％，P：0.20％，S：≥0.15％，Ni：8.00～10.00％，Cr：17.00～19.00％，Mo：0.60％，避免频繁拆卸出现锈蚀现象。顶压导杆6和顶压座7采用大球面配合设计，球面结构可以避免加工装配偏差引起的压力偏离问题。顶压座7尺寸与器件相匹配，保证器件内部各芯片受力均匀。夹具机构1顶压到器件额定压力时，依靠拧动零件锁紧件8补偿碟形弹簧9压缩产生的空间距离，保证小型液压装置卸压后，夹具机构1内部压力变化小。如图4所示。

所述弹簧组件中碟形弹簧9为按照器件压力和截面要求选取一定数量的标准弹簧，采用对合组合方式，碟形弹簧9在内部提供弹性的反作用压力，可以采用避免钢性硬连接出现的应力松弛问题，同时可以抵消高温升产生的热应力，防止器件被压坏。碟簧垫片10采用与碟形弹簧9材质一样，避免碟形弹簧9与下法兰3接触面小，应力集中对下法兰3造成破坏；碟形弹簧9和碟簧垫片10按质量分数计由下述组份制备而得：C：0.56～0.64％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.60～ 0.9％，S：≤0.035％，P：≤0.035％，Cr：≤0.35％，Ni：≤0.35％，Cu：≤0.25％， V：0.08～0.16％，B：0.0005～0.0035％，余量为Fe。碟簧导杆11选用优质结构钢，并调质处理，截面与顶压座7一致，保证上下器件受力均匀，另外碟簧导杆11与碟形弹簧9配合，避免碟形弹簧9受压时错位失效。如图5所示。

所述散热器12采用翅片钎焊，热阻小、换热面积大，保证对测试器件测试温度的要求，侧面设有端子接线孔。散热器12和上下法兰材质一样。

所述极间绝缘板13采用环氧层压板加工，满足耐压和爬电距离要求，测试器件15并联测试时，保证测试器件15电气回路的独立性，串联时可将极间绝缘板13拆除。

所述定位销14用于零件和测试器件15装配时的准确定位。

所述定位挡板16、连接套17和连接件18用于安装时辅助连接固定，定位挡板16固定在上法兰2和下法兰3上，散热器12侧面与定位挡板16贴合后即上下位置一致。小型液压装置安装连接套17后一起装在导向套5上并对好销钉孔，随后安装连接件18即可启动液压泵加压。安装完毕后需将定位挡板16、连接套17和连接件18拆除。

夹具机构1在设计过程中经过机械强度、热稳定性和散热仿真计算，满足相关要求并留有余量。进行安装时，各零件依次组装到位后，通过小型液压装置加压顶紧。测试时，可根据测试设备需要立放或平放。

一、在结构受力分析中，上下法兰最大应力＝81MPa，绝缘拉杆应力＝20Mpa，顶压机构最大应力＝17Mpa，碟簧导杆最大应力＝1.56Mpa，结构满足机械强度要求。

二、在热稳定性考察中，对热应力的影响进行考察如下：

在测试过程中，温度由室温升至125℃，夹具中的零件会因为温升而产生体积热膨胀现象。如果零件之间配合约束为理想刚性连接时，由于过高的温差和材料热膨胀系数的不一致性，零件内部将产生较大的热应力，导致强度相对小的零件出现较大应变或者破坏。而测试夹具结构中有碟形弹簧，其属于弹性零件，压缩零件的热应力远大于压缩弹簧产生的反作用力，所以碟簧被压缩来补偿热膨胀产生的尺寸差。

理想情况下，热膨胀产生的弹簧压力变化计算如下：

根据公式Δl＝L×ΔT×α_l，计算不同材质零件温差ΔT＝100℃时线变形量Δl：

式中:Δl为热膨胀线变形长度，mm；

L为室温(25℃)零件长度，mm；

ΔT为温升，℃；

α_l为材料线膨胀系数，10^-6/℃；

受压零件：

上下法兰和散热器：Δl＝L×ΔT×α_l＝270×100×24×10^-6＝0.65mm

顶压机构：Δl＝L×ΔT×α_l＝80×100×17×10^-6＝0.14mm

碟簧导杆：Δl＝L×ΔT×α_l＝130×100×16.7×10^-6＝0.22mm

受拉零件：

绝缘拉杆：Δl＝L×ΔT×α_l＝480×100×7×10^-6＝0.34mm

热膨胀产生的尺寸差：Δl_总＝Δl_受压-Δl_受拉＝0.65+0.14+0.22-0.34＝0.67mm

单片碟簧变形量：

由于夹具组装是在室温条件下进行，如果室温组装加压为器件额定压力 (6kN或16kN)时，在测试温度下按照以上计算，单片碟簧会累加压缩热膨胀引起的变形量0.13mm，根据碟簧计算可知该变形量下碟簧载荷变化

由上述计算结果可知热应力转为碟簧变形力后压力变化小，室温装配时可按此结果减压装配。

三、散热仿真测试过程如下：

1、输入条件：

1)试品放置于恒温箱内，恒温箱内部温度待定，内部腔体尺寸： 0.6m*0.6m*0.6m；

2)试品结构组成：IGBT器件*5支，单支功耗：200A器件为60W；600A 器件为160W；

散热器*8件；

夹具*1套；

3)IGBT器件:内部结温Tj＝125℃；

结-壳热阻Rthjc＝0.01℃/W；

与散热器接触台面直径D：200A器件为47mm；600A器件为75mm；

压紧力F：200A器件为6kN；600A器件为16kN；

仿真结论：环境温度60℃时，散热器表面最高温度理论上122℃，温升理论上62℃。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述夹具(1)包括竖向平行设置的拉紧组件和所述拉紧组件间竖向设置的顶压组件、弹簧组件、散热器(12)、绝缘板(13)、定位销(14)和测试器件(15)。

2.如权利要求1所述的一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述拉紧组件包括上下法兰(2、3)和其间设有与所述上下法兰(2、3)垂直设置的绝缘拉杆(4)，所述上下法兰(2、3)通过定位挡板(16)连接，所述定位挡板(16)与所述散热器(12)贴合设置。

3.如权利要求1所述的一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述顶压组件通过锁紧件(8)与所述拉紧组件的上法兰连接，其间设有导向套(5)；所述顶压组件包括球面配合设计的顶压导杆(6)和顶压座(7)；所述导向套(5)与连接套(17)通过连接件(18)连接。

4.如权利要求1所述的一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述弹簧组件，包括碟形弹簧(9)和其与所述下法兰间设有碟簧垫片(10)，所述碟形弹簧(9)对合设计，其间设有T型碟簧导杆(11)。

5.如权利要求1所述的一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述散热器(12)采用翅片钎焊，侧面设有端子接线孔。

6.如权利要求1所述的一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述绝缘板(13)采用环氧层压板。

7.如权利要求2所述的一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述上下法兰(2、3)和散热器(12)按质量分数计由下述组份制备而得：Si：0.20～0.6％，Fe:0.35％，Cu：0.10％，Mn：0.10％，Mg：0.45～0.9％，Cr：0.10％，Zn：0.10％，Ti：0.10％，余量为Al；所述绝缘拉杆4采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。

8.如权利要求3所述的一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述顶压组件按质量分数计由下述组份制备而得：C：0.15％，Si％：1.00％，Mn：2.00％，P：0.20％，S：≥0.15％，Ni：8.00～10.00％，Cr：17.00～19.00％，Mo：0.60％。

9.如权利要求4所述的一种用于测定压接型功率绝缘栅双极型晶体管器件可靠性夹具，其特征在于，所述碟形弹簧(9)和碟簧垫片(10)按质量分数计由下述组份制备而得：C：0.56～0.64％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.60～0.9％，S：≤0.035％，P：≤0.035％，Cr：≤0.35％，Ni：≤0.35％，Cu：≤0.25％，V：0.08～0.16％，B：0.0005～0.0035％，余量为Fe。