CN111366838B - 一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，包括底板、腔壁、腔盖、柱电极和施压机构，腔壁密封安装在底板上，芯片放置在底板上并通过底板端子引出电极信号，腔壁内灌注有制冷剂；腔壁的顶部安装有腔盖，柱电极的底端端穿过腔盖上的密封帽处并伸入腔壁内用于压紧芯片，柱电极通过柱电极端子引出芯片的电极信号；施压机构用于对柱电极进行施压。本发明中的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，实现了浸没式相变冷却功率电力电子器件的可靠测试方案，用于对制冷剂浸没下的芯片及其子模组开展GB/T 29332‑2012规定的相关电气特性测试，以获取器件的运行特性，评估器件在浸没式冷却工况下的品质、性能与寿命。

Description

一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔

技术领域

本发明涉及浸没式相变冷却技术领域，特别是涉及一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔。

背景技术

浸没式相变冷却技术在功率半导体芯片散热能力方面体现出明显优势。但对于高压大功率器件的应用极少，如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、二极管等。这主要受限于大功率电力电子器件需要特殊高压封装，通过芯片并联实现功率等级提升。这使得相变冷却技术只能间接应用于封装的散热。因此，在封装层面内，对芯片直接采用浸没式相变冷却，有望加强器件自身的热管理能力，为芯片的过载工况提供更大的热缓冲区间，进一步提高芯片的结温控制能力。

但是，在浸没式相变冷却工况中，芯片与介质直接接触，且伴随制冷剂的沸腾等技术特征。因此，需要获得芯片在浸没工况下的运行特性，以作为该技术散热优势、运行能力以及运行稳定性的评价依据，进一步对其绝缘、散热控制、以及相容性等层面进行优化设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，以解决上述现有技术存在的问题，具有安装程序标准、压力可控、芯片发热可控、腔内测试压强可调、封装方式灵活可调等技术优势；且满足多种封装的功率IGBT、功率MOSFET、功率二极管的测试需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，包括底板、腔壁、腔盖、柱电极和施压机构，所述腔壁密封安装在所述底板上，芯片放置在所述底板上并通过底板端子引出电极信号，所述腔壁内灌注有制冷剂；所述腔壁的顶部安装有所述腔盖，所述柱电极的底端穿过所述腔盖上的密封帽处并伸入所述腔壁内用于压紧所述芯片，所述柱电极通过柱电极端子引出所述芯片的电极信号；所述施压机构用于对所述柱电极进行施压。

优选的，所述底板采用金属导热材料制成，所述底板顶面中心处开设有芯片定位槽，所述芯片放置在所述芯片定位槽内；所述底板上还设置有分别用于放置加热电阻贴片和热偶丝的加热贴片槽和热偶槽。

优选的，所述腔壁采用透明材料制成，所述腔壁上开设有多个预留口，所述预留口可作为电气引线通路。

优选的，有密封要求时，用密封胶对穿线的所述预留口进行胶封；无引线要求时，用密封帽将所述预留口密封；所述预留口还可用于腔内压强控制、浸没式循环冷却的制冷剂进口和出口。

优选的，所述腔盖采用金属导热材料制成，所述腔盖包括散热柱肋和多个定位螺口，所述散热柱肋用于腔内制冷剂沸腾蒸汽的自然冷却；所述定位螺口用于所述施压机构的固定及定位。

优选的，所述施压机构包括夹具组件和施压组件，所述夹具组件由夹具顶板和多个夹具定位螺柱组成，所述夹具定位螺柱的底端安装在所述定位螺口中；所述夹具顶板水平安装在多个所述夹具定位螺柱的顶端并用螺母拧紧；安装在所述柱电极顶部的所述施压组件与所述夹具顶板相连接。

优选的，所述施压组件包括施压盘和施压螺柱，压力传感器上表面装配所述施压盘后，将所述压力传感器安装于所述柱电极顶部；所述施压螺柱安装在所述夹具顶板上且底端与所述施压盘相抵接。

优选的，所述施压盘上表面有凹圆弧面，所述施压螺柱底部有凸圆弧面，两者曲率一致并相互抵接配合。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1)类比高压大功率器件封装的体积尺度，形成了具备外冷条件的密闭制冷剂制冷环境。且装配过程简单灵活，易于调换被测器件或芯片。且通过调整底板结构，可模拟单芯片焊接封装的单面散热结构，以及压接封装的双面散热结构，可在多种封装形式下实现浸没式相变冷却工况。

2)已有封装内的相变冷却测试方案主要需要依托封装制造厂家的制造工艺，以实际封装为样品，如直接制造灌封制冷剂的器件，或利用开封封装在密闭容器内开展测试，不仅不利于实验间的变量控制与可重复性，也不利于实验观察与成本控制。该方案不仅可以严格控制各个样品的测试条件，且可靠密闭，可实现测试制冷剂实验过程中的“零消耗”与“零排放”，并且腔壁透明，便于探究电气应力下的沸腾散热行为。

3)对于大功率电力电子器件的测试中，除功率循环、高温反偏等试验对器件有明确的发热功率控制策略与结温模拟策略，动静态特性等测试不具有针对器件的自热控制方案，也多采用温箱、加热板等模拟温控策略，因此非常不适用于浸没式相变冷却环境下芯片级的热源模拟。该方案可通过芯片尺寸的模拟发热，针对性的探究封装结构内制冷剂的沸腾行为与散热能力。不仅避免了芯片自热方案中复杂的驱动系统与电气工况维持系统，同时避免了温箱、加热板等环境温控设备对制冷剂环境整体的介质态影响，而使散热与沸腾集中于芯片，从而实现芯片发热工况的模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为测试腔结构总览图；

图2为测试腔正视图；

图3为测试腔切面视图；

图4为测试腔切面局部爆炸视图；

图5为测试腔爆炸视图；

其中，1底板；1-1底板端子；1-2加热贴片槽，1-3热偶槽，1-4芯片定位槽；2腔壁；2-1预留口；2-2预留口密封帽；3腔盖；3-1散热柱肋；3-2定位螺口；3-3密封螺柱接触面；4密封帽；5柱电极；5-1柱电极端子；6压力传感器；7施压盘；8夹具定位螺柱；9夹具顶板；10施压螺柱；10-1施压六角口；11芯片。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

本发明的目的是提供一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，以解决上述现有技术存在的问题，具有安装程序标准、压力可控、芯片发热可控、腔内测试压强可调、封装方式灵活可调等技术优势；且满足多种封装的功率IGBT、功率MOSFET、功率二极管的测试需求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-5所示，本发明提供一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，主要由底板1，腔壁2，腔盖3，密封帽4，柱电极5，压力传感器6，施压盘7，夹具定位螺柱8，夹具顶板9以及施压螺柱10构成，本实施例以反向恢复二极管的芯片11为例，介绍本发明的结构及原理。

其中，底板1为金属良导热材料，除密封及螺纹结构外，包含底板端子1-1，加热贴片槽1-2，热偶槽1-3和芯片定位槽1-4。其中，底板端子1-1直接用于芯片11电极信号引出。

腔壁2优选透明高结构强度材料，以保证冷却时介质沸腾程度的观察及分析。除密封及螺纹结构外，腔壁2包含多个预留口2-1，依测试需求可合理选择预留口2-1数量。本实施例以两个预留口2-1为例。预留口2-1可作为电气引线通路，用于必要的芯片通断控制(如IGBT芯片的栅极驱动信号等)。有密封要求时，可用密封胶对穿线预留口进行胶封；无引线要求时，可用预留口密封帽2-2将其密封。此外，预留口2-1仍可用于腔内压强控制、浸没式循环冷却的制冷剂进口和出口。

腔盖3优选金属良导热材料。除密封及螺纹结构外，腔盖3包含散热柱肋3-1，定位螺口3-2。散热柱肋3-1用于腔内制冷剂沸腾蒸汽的自然冷却，可外加风扇等设施加强外部对流环境，增大散热效率；定位螺口3-2用于施压机构夹具定位螺柱8的固定及定位。

柱电极5采用良导电金属结构材料，用于芯片11施压与电气连接，通过柱电极端子5-1引出芯片11的电极信号。

以二极管芯片11的测试方案为例，对结构装配进行说明。装配底板1，腔壁2后，将芯片11置于底板1的芯片定位槽1-4中。安装腔盖3。压力传感器6上表面装配施压盘7后，将压力传感器6安装于柱电极5顶部螺柱，并穿过密封帽4插入腔盖3中孔，顶住芯片11。夹具定位螺柱8安装于腔盖3的定位螺口3-2内，在四个夹具定位螺柱8顶部套入夹具顶板9并用螺母固定四个螺柱顶部以固定夹具顶板9。通过施压六角口10-1旋紧施压螺柱10，同时观察压力传感器6的变送器压力数值，控制对芯片11的施加压力。当压力达到目标值后，旋紧密封帽4。此时，腔内形成密封环境，芯片的电气接触通过目标压力实现。

优选的，密封帽4和密封螺柱接触面3-3内侧有导角口，装配时，通过在该位置施加密封胶圈，可在旋紧时增加结构的密封性。

此外，施压盘7上表面有凹圆弧面，施压螺柱10底部有凸圆弧面，两者曲率一致，防止施压螺柱10顶紧转动时带动柱电极5转动，防止芯片表面磨损。

进一步地，采用模拟加热方案时，将热偶丝通过底板1侧面的热偶槽1-3插入芯片底部，将加热电阻贴片通过导热硅脂或导热硅胶贴附于加热贴片槽1-2处。利用温控继电器对芯片进行模拟发热控制。

当对腔内压强提出要求时，可通过预留口2-1连接外部压力传感器及真空泵，实现密封腔内的压强控制。

常压测试条件下，液体可在装配底板1和腔壁2完成时注入腔池，也可在整个装配过程完成后，通过预留口2-1注入；负压测试条件下，可先通过预留口2-1完成密封腔内压强控制，后通过三通阀或四通阀的通路切换，抽入制冷剂。

本发明中的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，实现了浸没式相变冷却功率电力电子器件的可靠测试方案，用于对制冷剂浸没下的芯片及其子模组开展GB/T 29332-2012规定的相关电气特性测试，以获取器件的运行特性，评估器件在浸没式冷却工况下的品质、性能与寿命。

已有对功率器件所采用的相变冷却技术，多为间接式相变冷却，即芯片热量通过基板传递至散热器，在散热器内循环低沸点制冷剂实现相变冷却。因此，这种方冷却式相当于电力电子器件的外冷方案，其电气特性仅能反应外冷效率优化后器件的特性，可反应这种冷却方式封装内部芯片的结温控制能力。其与芯片的浸没式相变冷却有本质区别。且由于基板与散热器的导热过程，芯片距离制冷剂环境间将形成等效热阻，导致芯片的散热过程较慢。本技术从封装层面出发，旨在开发针对芯片的浸没式相变冷却方案，实现浸没工况下芯片的电气特性测试，以评估芯片在制冷剂浸没及沸腾时的电气特性。

已有针对芯片的浸没式冷却方案，多以成品封装、基板作为样品，前者在成品封装内注入制冷剂，即不利于观察，也无法可靠防止沸腾蒸汽外泄，耗液量大，且回收不利时会对环境和人身安全造成影响。后者在前期需要基板成型，通过焊接或烧结将芯片焊连于基板，并通过键和工艺完成基板电气拓扑，最终将基板浸泡于密闭容器中。该方法仅适用于焊接封装方案，且芯片样品成型工艺复杂，不利于对样品进行调整和替换。因此，本技术可参考不同的封装结构，对底板进行更换，以探究适用于浸没式相变冷却的封装结构，并基于测试结果进行优化设计。另外可见，对比此类已有方案，本技术对样品的测试流程更加标准，测试更加可靠。

本发明中的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔旨在探究浸没式相变冷却技术对高压大功率半导体器件(IGBT、MOSFET、二极管等)及其子模组、芯片的散热优势。同样可用于冷却工况下的器件运行特性获取，不同相变冷却介质浸没环境的运行寿命评估等测试目的。可在保证器件温度、压力工况的前提下，为器件提供浸没式自然冷却、浸没式循环冷却等冷却的模拟环境，从而得到不同浸没冷却参数(液量、压强、循环流速)对器件运行特性与结温控制能力。此外，本结构另提供模拟发热方案，即利用近距离加热电阻贴片发热，模拟功率器件的实际发热。避免了为达到额定发热功率或额定结温，对器件施加额外驱动控制方案。该方案为高压大功率电力电子器件提供多样可控的浸没式冷却环境，为高压大功率电力电子器件冷却系统运行参数制定、以及大功率电力电子器件相变冷却封装的设计及研制提供测试方案，对大功率半导体器件的新型热管理方案的探索具有重要意义。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，其特征在于：包括底板、腔壁、腔盖、柱电极和施压机构，所述腔壁密封安装在所述底板上，芯片放置在所述底板上并通过底板端子引出电极信号，所述腔壁内灌注有制冷剂；所述腔壁的顶部安装有所述腔盖，所述柱电极的底端穿过所述腔盖上的密封帽处并伸入所述腔壁内用于压紧所述芯片，所述柱电极通过柱电极端子引出所述芯片的电极信号；所述施压机构用于对所述柱电极进行施压；

所述腔盖采用金属导热材料制成，所述腔盖包括散热柱肋和多个定位螺口，所述散热柱肋用于腔内制冷剂沸腾蒸汽的自然冷却；所述定位螺口用于所述施压机构的固定及定位；所述施压机构包括夹具组件和施压组件，施压组件包括施压盘和施压螺柱，压力传感器上表面装配所述施压盘后，将所述压力传感器安装于所述柱电极顶部；所述施压螺柱的底端与所述施压盘相抵接。

2.根据权利要求1所述的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，其特征在于：所述底板采用金属导热材料制成，所述底板顶面中心处开设有芯片定位槽，所述芯片放置在所述芯片定位槽内；所述底板上还设置有分别用于放置加热电阻贴片和热偶丝的加热贴片槽和热偶槽。

3.根据权利要求1所述的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，其特征在于：所述腔壁采用透明材料制成，所述腔壁上开设有多个预留口，所述预留口可作为电气引线通路。

4.根据权利要求3所述的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，其特征在于：有密封要求时，用密封胶对穿线的所述预留口进行胶封；无引线要求时，用密封帽将所述预留口密封；所述预留口还用于腔内压强控制以及浸没式循环冷却的制冷剂进口和出口。

5.根据权利要求1所述的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，其特征在于：所述夹具组件由夹具顶板和多个夹具定位螺柱组成，所述夹具定位螺柱的底端安装在所述定位螺口中；所述夹具顶板水平安装在多个所述夹具定位螺柱的顶端并用螺母拧紧；安装在所述柱电极顶部的所述施压组件与所述夹具顶板相连接。

6.根据权利要求5所述的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，其特征在于：所述施压螺柱安装在所述夹具顶板上。

7.根据权利要求6所述的浸没冷却环境下的功率器件特性测试腔，其特征在于：所述施压盘上表面有凹圆弧面，所述施压螺柱底部有凸圆弧面，两者曲率一致并相互抵接配合。

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