CN111487515A - 一种压接式功率器件静态特性测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压接式功率器件静态特性测量系统，包括由水平方向的构件和设置于竖直方向的立柱组成的框架，压力施加装置，温度施加装置。本静态特性测量装置在测试夹具中引入开尔文测试方法，排除引线的测量误差，压力施加装置与框架点接触，能够降低压力施加装置的加工需求，利用箱体进行被测器件的温度控制，在加热或降温过程中可以实现被测器件的均匀温度控制，且可以实时准确测量被测器件的温度，非常适用于不同温度和不同压力下的压接型器件静态特性的准确测量。

Description

一种压接式功率器件静态特性测量系统

技术领域

本发明涉及半导体器件测试领域，特别是涉及一种可同时施加温度和压力的压接式功率器件静态特性测量系统。

背景技术

压接式功率器件是高压大容量设备的核心部件，广泛应用于电力系统、轨道交通、新能源汽车、军事及航空领域，其具有杂散参数小、双面散热、易于串联，及在器件损坏时表现出短路失效模式等优势，非常适用于高压大容量应用场合，目前已成为支撑智能电网发展的基础器件。

压接式功率器件的静态特性，比如输出特性及转移特性，是压接式功率器件建模、性能评估及可靠性研究的基础参数，也是后续研究的重要参考指标。静态特性的快速准确测量不仅便于压接式功率器件生产厂商筛选产品，而且对于指导用户进行器件的尽限使用具有非常重要的意义。由于压接式功率器件的静态特性对温度变化十分敏感，故测量不同温度下功率器件的静态特性是必要的，另外压接式功率器件需要依赖机械压力以实现牢靠的电热路连接，由于接触电阻和接触热阻均与机械压力相关，且材料本身具有压阻效应，故测量不同压力下功率器件的静态特性是必要的，所以准确测量压接式功率器件在不同温度和不同压力下的静态特性是非常重要的。

目前针对压接式功率器件的静态特性测量装置，只考虑到压接式功率器件所受压力的均匀施加，但并不具有同时施加温度的能力，也无法满足需要实现精准电压测量的静态特性测试需求。故目前急需一种可同时施加压力和温度的用于精确测量压接式功率器件静态特性的测量系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种压接式功率器件静态特性测量系统，通过压力施加装置和温度施加装置向被测器件同时施加压力和温度，并在测量夹具中引入开尔文测量方法，以实现在不同温度和不同压力下被测器件静态特性的精确测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种压接式功率器件静态特性测量系统，所述静态特性测量系统包括：由水平方向的构件和设置于竖直方向的立柱组成的框架，测量夹具，被测器件，箱体，压力施加装置和温度施加装置；

所述水平方向的构件包括上基板和下基板；所述立柱同时穿过所述上基板和所述下基板，并分布在所述上基板和所述下基板的四角；

所述测量夹具包括第一测量夹板和第二测量夹板；所述第一测量夹板与所述上基板下侧相接触，所述第二测量夹板与所述下基板上侧相接触；所述被测器件设置于所述第一测量夹板和所述第二测量夹板之间，所述被测器件分别与所述第一测量夹板和所述第二测量夹板相接触；

所述测量夹具用于向所述被测器件引入电流，并对所述被测器件两端的压降进行测量，以获取在施加压力以及施加温度下，所述被测器件两端的压降与所述电流之间的关系，从而确定所述被测器件的静态特性；

所述箱体包围所述框架、所述测量夹具以及所述被测器件；所述温度施加装置通过向所述箱体内通入加热或冷却的气体，以使被测器件处于施加温度下；

所述压力施加装置位于所述上基板上方，与所述上基板相接触；所述压力施加装置用于向所述被测器件施加压力。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1.本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统，通过压力施加装置和温度施加装置向被测器件同时施加压力和温度，采用测量夹具向被测器件引入电流，并对被测器件两端压降进行测量，以获取不同温度和不同压力下被测器件两端压降与电流之间的关系，从而确定被测器件的静态特性。

2.本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统，在测量夹具中引入开尔文测量方法，采用与被测器件直接接触的电压测量板测量被测器件两端的压降，有利于电压测量位点接近被测器件，相比于外接引线测量被测器件两端压降的方法，可以排除测量引线的影响，且可以避免功率回路大电流在直流母排接口及外部连接的高温导线上造成的压降对测量结果的干扰，进而提升了被测器件两端压降测量结果的准确性，从而实现了被测器件静态特性的准确测量。

3.本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统，采用立柱、下基板和上基板组成的框架，压力施加装置将压力施加于该框架的上基板上，且上基板与下基板绝对平行，进而能够保证被测器件所受的力为两平行平面所施加的压力，从而降低对压力施加装置机械加工的要求。

4、本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统，压力施加装置还可与上基板点接触，进而可以消除由于压力轴心错位、基板安装不平整等带来的压力不均匀性，从而进一步降低对压力施加装置机械加工的要求。

5.本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统，被测器件、测量夹具和框架均位于箱体内，且采用温度施加装置向箱体内通入加热或冷却的外部气体，以增加或降低箱体内环境气体的温度，进而通过热对流使被测器件达到预定温度，相比于加热板加热的方法，不存在热传导所带来的局部温度差异，可使被测器件各部位处于相同的温度。且该方法还可以向箱体内提供冷却的气体，进而可测量低温下被测器件的静态特性。

6.本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统，由于热传导效率高于热对流，而被测器件与测量夹具组成的结构中不包含热源，进而可以认为被测器件与测量夹具的温度相同，从而可以通过设置在测量夹具上的温度传感器，以实时准确的测量加热或冷却过程中被测器件的温度。

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为本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统的箱体内部结构示意图。

图2为本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统的箱体内部结构的三维立体图。

图3为本发明提供的压接式功率器件静态特性测量系统的整体结构示意图。

符号说明：

1-框架、11-立柱、12-上基板、13-下基板、14-限位件、2-测量夹具、21-第一测量夹板、22-第二测量夹板、211-第一绝缘垫块、212-第一直流母排接口、213-第一电压测量板、221-第二电压测量板、222-第二直流母排接口、223-第二绝缘垫块、3-被测器件、4-温度传感器、5-箱体、6-温度施加装置、61-气体管道、62-温度控制器、7-压力施加装置、71-门型框架、72-活动横梁、73-压力传感器、74-压力柱、75-压力施加头、76-压力控制器、8-承压垫块、9-基座、10-静态特性测试仪。

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压接式功率器件静态特性测量系统，通过压力施加装置和温度施加装置向被测器件同时施加压力和温度，并在测量夹具中引入开尔文测量方法，可以排除引线所带来的测量误差，以实现在不同温度和不同压力下被测器件的静态特性的精确测量。

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。

实施例1：

本实施例提供一种压接式功率器件静态特性测量系统，该静态特性测试系统包括：由水平方向的构件和设置于竖直方向的立柱11组成的框架1，测量夹具2、被测器件3、箱体5、温度施加装置6和压力施加装置7。

如图1和图2所示，箱体5内部的结构具体如下：

由水平方向的构件和设置于竖直方向的立柱11组成的框架1。水平方向的构件包括上基板12和下基板13，立柱11同时穿过上基板12和下基板13，并分布在上基板12和下基板13的四角。上基板12和下基板13均采用较厚的实心铝材料制作，并在表面涂一层镍以防止氧化，以在承受压力时不产生形变，进而良好地传递压力。

4根立柱11上均设置有限位件14，该限位件14具体可选为螺母。4根立柱11上的螺母分别位于下基板13的上、下两侧，与下基板13的上、下两侧相接触，以用于固定下基板13，进而使上基板12和下基板13绝对平行。立柱11和限位件14均采用钢材制作，并在表面涂一层镍以防止氧化。

测量夹具2包括第一测量夹板21和第二测量夹板22。第一测量夹板21位于上基板12的下方，并与上基板12下侧相接触，第二测量夹板22位于下基板13的上方，并与下基板13上侧相接触。被测器件3设置于第一测量夹板21和第二测量夹板22之间，分别与第一测量夹板21和第二测量夹板22相接触。另外，上基板12、第一测量夹板21、被测器件3、第二测量夹板22、下基板13中心对齐放置，彼此之间通过压力进行连接。测量夹具2用于向被测器件3引入电流，并对被测器件3两端的压降进行测量，以获取在施加压力以及施加温度下，被测器件3两端的压降与电流之间的关系，从而确定被测器件3的静态特性。其中，被测器件3选用压接型功率器件。

第一测量夹板21和第二测量夹板22均包括绝缘垫块、直流母排接口和电压测量板。且第一测量夹板21和第二测量夹板22均相对于被测器件3由内到外依次设置电压测量板、直流母排接口和绝缘垫块。需要说明的是，为了便于区分，将第一测量夹板21所包含的绝缘垫块、直流母排接口和电压测量板分别命名为第一绝缘垫块211、第一直流母排接口212、第一电压测量板213，将第二测量夹板22所包含的绝缘垫块、直流母排接口和电压测量板分别命名为第二电压测量板221、第二直流母排接口222、第二绝缘垫块223。被测器件3位于第一电压测量板213和第二电压测量板221之间。

具体的，从上至下依次设置有上基板12，第一绝缘垫块211、第一直流母排接口212、第一电压测量板213，被测器件3、第二电压测量板221、第二直流母排接口222、第二绝缘垫块223，下基板13，它们中心对齐放置，彼此之间通过压力进行连接。第一绝缘垫块211和第二绝缘垫块223采用环氧树脂材料制作，环氧树脂具有良好的机械强度、绝缘能力及隔热能力，可以有效地保证测量系统的电隔离及被测器件3温度的准确测量。第一直流母排接口212、第一电压测量板213、第二电压测量板221、第二直流母排接口222均采用镀锌铜材料制作，可以有效防止板材表面氧化。

需要说明的是，上基板12的下侧、第一绝缘垫块211的两侧、被测器件3的两侧、第二绝缘垫块223的两侧、下基板13的上侧的中心处均设置有不通的孔，第一直流母排接口212、第一电压测量板213，第二电压测量板221、第二直流母排接口222的中心均设置有通孔，进而通过定位销即可实现上基板12、第一测量夹板21、被测器件3、第二测量夹板22、下基板13的中心对齐放置。

第一直流母排接口212和第二直流母排接口222分别通过耐高温导线与位于箱体5外的静态特性测试仪10上的功率输出端子的正、负极相连接，具体的，第一直流母排接口212通过耐高温导线与位于箱体5外的静态特性测试仪10上的功率输出端子的正极相连接，第二直流母排接口222通过耐高温导线与位于箱体5外的静态特性测试仪10上的功率输出端子的负极相连接，进而通过两个直流母排接口向被测器件3提供电流，以保证被测器件3在稳态情况下的通流能力。

第一电压测量板213和第二电压测量板221分别通过耐高温导线与位于箱体5外的静态特性测试仪10上的电压测量端子的正、负极相连接。具体的，第一电压测量板213通过耐高温导线与位于箱体5外的静态特性测试仪10上的电压测量端子的正极相连接，第二电压测量板221通过耐高温导线与位于箱体5外的静态特性测试仪10上的电压测量端子的负极相连接，进而通过两个电压测量板测量被测器件3两端的压降。通过在被测器件3两侧设置两块电压测量板，有利于电压测量位点接近被测器件3，相比于外接引线测量被测器件3两端压降的方法，由于外接引线这一方法必然会在引线与直流母排接口的接触处产生接触电阻，而这一接触电阻值的量级与被测器件3电阻值的量级差别不大，进而该接触电阻会显著影响被测器件3两端压降的测量结果，而采用电压测量板测量这一方法可以避免产生接触电阻，进而可以排除测量引线的影响，有效提高测量准确度。同时，在测量夹具2上引入开尔文测试方法，即两个直流母排接口与静态测试仪10的功率输出端子相连接，两个电压测量板与静态测试仪10的电压测量端子相连接，进而可以避免功率回路大电流在直流母排接口及外部连接的高温导线上造成的压降对测量结果的干扰，从而提升了被测器件3两端压降测量结果的准确性，实现了被测器件3静态特性的准确测量。

上述框架1、测量夹具2以及被测器件3均设置在箱体5内。在下基板13和箱体5之间设置有承压垫块8。承压垫块8采用钢材制作，并在表面涂一层镍以防止氧化。

如图1和图3所示，温度施加装置6包括气体管道61和温度控制器62。

气体管道61贯穿箱体5，用于将外部的气体进行加热或冷却，并吹入箱体5内。

第二电压测量板221上设置有温度传感器4，温度传感器4与第二电压测量板221之间涂有导热硅脂。温度传感器4用于获取被测器件3的实时温度。具体的，温度传感器4为数字温度传感器，能够在预加热或预降温过程中实时准确地显示被测器件3的温度。由于热传导效率高于热对流，而被测器件3与测量夹具2组成的结构中不包含热源，进而可以认为被测器件3与测量夹具2的温度相同，从而可以通过设置在第二电压测量板221上的温度传感器4，以实时准确的测量加热或冷却过程中被测器件3的温度。

温度控制器62位于箱体5外部，与箱体5相连。温度控制器62用于依据温度传感器4获取的被测器件3的实时温度，控制外部气体的加热和冷却过程，以使被测器件3处于施加温度。该方法采用温度施加装置6向箱体5内提供加热或冷却的外部气体，以增加或降低箱体5内环境气体的温度，进而通过热对流使被测器件3达到待施加温度，相比于加热板加热的方法，不存在热传导所带来的局部温度差异，可使被测器件3各部位处于相同的温度。且该方法还可以向箱体5内提供冷却的气体，进而可测量低温下被测器件3的静态特性。

如图1和图3所示，压力施加装置7包括门型框架71、活动横梁72、压力传感器73、压力柱74、压力施加头75、及压力控制器76。

各部件之间的连接关系如下：

门型框架71竖直放置在箱体5的外部。活动横梁72水平设置在门型框架71内，与门型框架71的两内侧滑动连接，并位于箱体5的上方。

作为一种可选的实施方式，在门型框架71的两个内侧均设置丝杠螺母结构，且活动横梁72的两侧分别与两个螺母固定连接，进而通过控制两个丝杠螺母结构的运动，以控制活动横梁72上下移动。但本发明并不对这一连接方式进行限制，本领域技术人员可以理解的是，只要能够实现活动横梁72在门型框架71内上下移动的结构都在本发明的保护范围内。

压力传感器73通过螺栓固定在活动横梁72的中心位置，压力传感器73用于实时获取被测器件3所受的压力。具体的，压力传感器73为数字压力传感器，能够在测试过程中实时准确地显示被测器件3承受的机械压力。

压力柱74穿过所述箱体5顶部预留的圆柱孔洞。压力柱74的上端与压力传感器73固定连接，压力施加头75的上端与压力柱74的下端固定连接，压力施加头75的下端与上基板12相接触。

压力控制器76位于门型框架71的外部，压力控制器76用于依据压力传感器73获取的实时压力，控制活动横梁72上下移动，以带动压力柱74及压力施加头75上下运动，从而向被测器件3施加压力。

采用立柱11、上基板12和下基板13组成的框架1，压力施加装置7将压力施加于该框架1的上基板12上，且上基板12与下基板13绝对平行，进而能够保证被测器件3所受的力为两平行平面所施加的压力，从而降低对压力施加装置7机械加工的要求。

作为一种可选的实施方式，压力施加头75可以选用半球面，压力柱74的一端通过螺栓与压力传感器73相连接，并通过该螺栓固定在活动横梁72的中心位置，压力柱73的另一端嵌入半球面的凹面内，且该半球面与上基板12点接触，进而可以消除由于压力轴心错位、基板安装不平整等带来的压力不均匀性，进而进一步降低对压力施加装置7机械加工的要求。

需要说明的是，可以通过调节压力施加装置7各组成部件的位置，以使压力施加头75与上基板12的中心相接触，进而使被测器件3受力更加均匀。

箱体5、温度控制器62与门型框架71均位于水平放置的基座9上。

在进行一特定温度及压力下被测器件3的静态特性测试时，采用的方法如下：

第一，将被测器件3、两块电压测量板、两块直流母排接口板以及两块绝缘垫块按照图2所示设置方式中心对齐放置好；

第二，将第一直流母排接口212和第二直流母排接口222分别通过耐高温导线与位于箱体5外的静态特性测试仪10上的功率输出端子的正、负极相连接，以保证被测器件3在稳态情况下的通流能力。将第一电压测量板213和第二电压测量板221分别通过耐高温导线与位于箱体5外的静态特性测试仪10上的电压测量端子的正、负极相连接，以测量被测功率器件5在流过大电流时的压降。采用两块电压测量板进行测量，有利于电压测量位点接近被测器件3，排除掉测量引线的影响，避免了功率回路大电流在直流母排接口及外部连接的高温导线上造成的压降对测量结果的干扰，提升了测量的准确性。

第三，通过温度控制器62启动温度施加装置6，由气体管道61将加热或制冷后的气体吹入箱体5，以改变箱体5内部的环境温度，利用温度传感器4测量被测器件3上的实时准确温度，待温度传感器4返送数值达到预定温度时，调整温度控制器62执行温度保持功能。这种温度控制方式相对于采用加热板加热的方式，不仅不存在由于热传导损耗造成的被测功率器件3上不同位置的温差现象，还可以提供低温环境。

第四，通过压力控制器76启动压力施加装置7，活动横梁72缓缓下降，带动压力柱74及压力施加头75垂直向下移动，当压力施加头75与上基板12接触时，压力传感器73返送被测器件3受到的实时压力值，直到压力传感器73返送的压力值达到预定压力值时，压力控制器76控制活动横梁72停止移动。采用立柱11、下基板13及上基板12组成的框架1，可以保证被测器件3所受的力为两平行平面施加的压力，以降低对压力机机械加工的要求。

第五，记录下温度传感器4及压力传感器73返送的被测器件3上实时的温度及压力值，启动静态特性测试仪10，其功率输出端发出测试脉冲，以通过两块直流母排接口向被测器件3施加电流，其电压测量端子快速记录被测器件3上的压降，从而完成某温度及压力下被测器件3静态特性的测量。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

本文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 (10)

1.一种压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于：所述静态特性测量系统包括：由水平方向的构件和设置于竖直方向的立柱组成的框架，测量夹具，被测器件，箱体，压力施加装置和温度施加装置；

所述水平方向的构件包括上基板和下基板；所述立柱同时穿过所述上基板和所述下基板，并分布在所述上基板和所述下基板的四角；

所述测量夹具包括第一测量夹板和第二测量夹板；所述第一测量夹板与所述上基板下侧相接触，所述第二测量夹板与所述下基板上侧相接触；所述被测器件设置于所述第一测量夹板和所述第二测量夹板之间，所述被测器件分别与所述第一测量夹板和所述第二测量夹板相接触；

所述测量夹具用于向所述被测器件引入电流，并对所述被测器件两端的压降进行测量，以获取在施加压力以及施加温度下，所述被测器件两端的压降与所述电流之间的关系，从而确定所述被测器件的静态特性；

所述箱体包围所述框架、所述测量夹具以及所述被测器件；所述温度施加装置通过向所述箱体内通入加热或冷却的气体，以使被测器件处于施加温度下；

所述压力施加装置位于所述上基板上方，与所述上基板相接触；所述压力施加装置用于向所述被测器件施加压力。

2.如权利要求1所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述立柱上设置有限位件，所述限位件分别与所述下基板的上、下两侧相接触，用于固定所述下基板。

3.如权利要求1所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述水平方向的构件、所述测量夹具以及所述被测器件中心对齐放置。

4.如权利要求1所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述第一测量夹板和所述第二测量夹板均包括电压测量板、直流母排接口和绝缘垫块；且所述第一测量夹板和所述第二测量夹板均相对于被测器件由内到外依次设置电压测量板、直流母排接口和绝缘垫块；所述被测器件位于所述第一测量夹板的电压测量板和所述第二测量夹板的电压测量板之间；

所述第一测量夹板的直流母排接口和所述第二测量夹板的直流母排接口分别通过耐高温导线与位于箱体外的静态特性测试仪上的功率输出端子的正、负极相连接；所述第一测量夹板的直流母排接口和所述第二测量夹板的直流母排接口用于向所述被测器件提供电流；

所述第一测量夹板的电压测量板和所述第二测量夹板的电压测量板分别通过耐高温导线与位于箱体外的静态特性测试仪上的电压测量端子的正、负极相连接；所述第一测量夹板的电压测量板和所述第二测量夹板的电压测量板用于测量所述被测器件两端的压降。

5.如权利要求4所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述第二测量夹板的电压测量板上设置有温度传感器；所述温度传感器用于获取所述被测器件的实时温度。

6.如权利要求5所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述温度传感器与所述第二测量夹板的电压测量板之间涂有导热硅脂。

7.如权利要求1所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述压力施加装置包括门型框架、活动横梁、压力柱、压力施加头、压力传感器及压力控制器；

所述门型框架竖直放置在所述箱体的外部；

所述活动横梁水平设置在所述门型框架内，与所述门型框架的两内侧滑动连接，并位于所述箱体的上方；

所述压力传感器通过螺栓固定在所述活动横梁的中心位置；所述压力传感器用于实时获取所述被测器件所受的压力；

所述压力柱穿过所述箱体顶部预留的圆柱孔洞；所述压力柱的上端与所述压力传感器固定连接；

所述压力施加头的上端与所述压力柱的下端固定连接；所述压力施加头的下端与所述上基板相接触；

所述压力控制器位于所述门型框架的外部；所述压力控制器用于控制所述活动横梁上下移动，并带动所述压力柱及所述压力施加头上下运动，以向被测器件施加压力。

8.如权利要求7所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述压力施加头的下端与所述上基板点接触。

9.如权利要求1所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述温度施加装置包括气体管道和温度控制器；

所述气体管道贯穿所述箱体；所述气体管道用于将外部的气体进行加热或冷却，并吹入所述箱体内；

所述温度控制器位于所述箱体外部，与所述箱体相连；所述温度控制器用于依据所述温度传感器获取的被测器件的实时温度，控制外部气体的加热和冷却过程，以使所述被测器件处于待施加温度。

10.如权利要求1所述的压接式功率器件静态特性测量系统，其特征在于，所述下基板与所述箱体之间设置有承压垫块。

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