CN111562479B - 一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统 - Google Patents

一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，该系统中柔性印刷线路板的一端为功率半导体器件连接端，另一端为双脉冲测试平台连接端；功率半导体器件各极连接线从柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端的各端口引出，连接至柔性印刷线路板的双脉冲测试平台连接端的各对应端口；同时功率半导体器件各极辅助测量线从柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端的各端口引出，连接至柔性印刷线路板的双脉冲测试平台连接端的各对应测量端子；其中，功率回路的连接线采用叠层设置且具有叠层间距，同时辅助测量线的功率回路同样采用了叠层设置，减小连接回路的寄生电感，从而提高功率半导体器件高低温动态特性远程测试的准确性。

Description

一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统
技术领域
本发明涉及功率半导体器件的测试技术领域，特别是涉及一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统。
背景技术
随着半导体技术的发展，电力电子技术在电力系统、电动汽车、高铁以及航空航天等一系列的电力变换或电力驱动领域受到了广泛的应用，而功率半导体器件作为电力电子系统的主要功耗元件，其温度一直是备受关注的问题。目前大多数功率半导体器件，如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)和金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor,MOSFET)，均具有十分敏感的温度特性，因此，器件的温度特性测试和评估对其高温应用非常重要。
尤其对新兴的第三代宽禁带半导体器件—碳化硅器件而言更是如此，其本身的材料特性使得其得以应用于更高温的运行工况，突破了一般硅基器件的温度极限。而这个更高的温度是电力电子系统其他组件所不能耐受的，包括驱动装置、PCB板、母排电容、大部分硅基器件以及电压电流传感器等。因此，实现功率器件的高低温远程测试对其温度特性评估来说是十分必要的。
而在传统的远程测试中，考虑高温和绝缘问题，通常采用耐高温绝缘材料的导线来实现器件的远程连接。但这种连接方法会给各回路引入很大寄生电感，对于动态特性测试而言，会在器件开关过程中引发更大的电压过冲和剧烈的开关振荡，不仅影响测试结果，甚至会影响器件的正常开关工作。而对于碳化硅器件来说，其开关速度更快，受寄生电感影响会更为显著。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，通过柔性印刷线路板(Flexible Printed Circuit,FPC)使功率半导体器件的功率连接回路采用叠层设计，减小连接回路的寄生电感，提高测试的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，该系统包括：柔性印刷线路板、双脉冲测试平台和温控装置，所述温控装置用于为功率半导体器件提供高低温环境，所述柔性印刷线路板的一端为功率半导体器件连接端，另一端为所述双脉冲测试平台连接端，所述功率半导体器件连接端包括第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口，所述第三连接端口为功率半导体器件公共极连接端口，所述双脉冲测试平台连接端包括第四连接端口、第五连接端口和第六连接端口，从所述第一连接端口引出的第一连接线与所述第四连接端口相连，从所述第二连接端口引出的第二连接线与所述第五连接端口相连，从所述第三连接端口引出的第三连接线与所述第六连接端口相连，所述第一连接线和所述第二连接线平行叠层排布且具有第一叠层间距；
所述双脉冲测试平台连接端设置有第一测量端子、第二测量端子和第三测量端子，从所述第一连接端口引出的第四连接线与所述第一测量端子相连，从所述第二连接端口引出的第五连接线与所述第二测量端子相连，从所述第三连接端口引出的第六连接线与所述第三测量端子相连，所述第四连接线和所述第五连接线平行叠层排布且具有第二叠层间距；
所述第一连接线、所述第二连接线、所述第三连接线、所述第四连接线、所述第五连接线和所述第六连接线均布设在所述柔性印刷线路板上。
可选的，所述双脉冲测试平台连接端还包括第七连接端口，所述第一连接端口引出的第七连接线与所述第七连接端口相连，所述第七连接线为辅助源极连接线或辅助反射极连接线，所述第七连接线布设在所述柔性印刷线路板上。
可选的，所述第一连接端口与所述第一连接端子之间、所述第二连接端口与所述第二连接端子之间和所述第三连接端口与所述第三连接端子之间均采用开尔文接法。
可选的，所述柔性印刷线路板通过聚酰亚胺材料和铜箔压合而成。
可选的，所述系统还包括连接件和夹具，所述连接件用来将功率半导体器件连接到所述柔性印刷线路板的所述功率半导体器件连接端，所述夹具用来固定所述柔性印刷线路板和功率半导体器件。
可选的，所述连接件为陶瓷插座。
可选的，所述夹具为螺栓，所述功率半导体器件连接端和所述陶瓷插座上均设有螺栓通孔。
可选的，所述第四连接端口、所述第五连接端口和所述第六连接端口分别为焊盘。
可选的，所述第一连接端口、所述第二连接端口和所述第三连接端口分别为条形金属，所述条形金属表面覆铜。
可选的，所述第一测量端子、所述第二测量端子和所述第三测量端子与示波器相连。
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：
本发明公开了一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，该系统包括：柔性印刷线路板和双脉冲测试平台，柔性印刷线路板的一端为功率半导体器件连接端，另一端为双脉冲测试平台连接端，柔性印刷线路板中布设功率半导体器件各极连接线，其中，功率回路的连接线为叠层设置且具有叠层间距，从而减小连接回路的寄生电感，提高功率半导体器件高低温动态特性远程测试的准确性。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统示意图；
图2为本发明实施例柔性印刷线路板线路示意图；
图3为本发明实施例柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端示意图；
图4为本发明实施例柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端和陶瓷插座连接示意图；
其中，栅极连接线1、漏极连接线2、源极连接线3、辅助源极连接线4、栅极辅助测量线5、漏极辅助测量线6、源极辅助测量线7、平台侧栅极连接端口8、平台侧漏极连接端口9、平台侧源极连接端口10、平台侧辅助源极连接端口11、器件侧栅极连接端口12、器件侧漏极连接端口13、器件侧源极连接端口14、栅极辅助测量端子15、漏极辅助测量端子16、源极辅助测量线端子17、螺栓通孔18、陶瓷插座19、陶瓷插座的三极铜芯19-1。
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功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，通过柔性印刷线路板使功率半导体器件的功率连接回路采用叠层设计，减小连接回路的寄生电感，提高测试的准确性。
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所示，本发明公开了一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，该系统包括：柔性印刷线路板b、双脉冲测试平台c和温控装置，温控装置用于为功率半导体器件提供高低温环境，柔性印刷线路板b的一端为功率半导体器件连接端，另一端为双脉冲测试平台连接端，功率半导体器件a，也就是具体的测试对象为SiCMOSFET分立器件。双脉冲测试平台c由驱动源VG、直流源VDC、母排电容CBUS、负载电感Lload和续流二极管SiCSBD构成，双脉冲测试平台a通过柔性印刷线路板b与SiCMOSFET器件相连接。柔性印刷线路板通过聚酰亚胺材料和铜箔压合而成，具有良好的灵活性和可靠性，且可长期耐受-200℃～300℃的环境温度。
图2为柔性印刷线路板b的线路分布示意图，如图2所示，SiCMOSFET器件连接端包括第一连接端口14、第二连接端口13和第三连接端口12，双脉冲测试平台连接端包括第四连接端口10、第五连接端口9和第六连接端口8，从第一连接端口14引出的第一连接线3与第四连接端口10相连，从第二连接端口13引出的第二连接线2与第五连接端口9相连，从第三连接端口12引出的第三连接线1与第六连接端口8相连，第一连接线3和第二连接线2平行叠层排布且具有叠层间距；其中，第一连接端口14为器件侧源极连接端口，第二连接端口13为器件侧漏极连接端口，第三连接端口12为器件侧栅极连接端口；第四连接端口10为平台侧源极连接端口，第五连接端口9为平台侧漏极连接端口，第六连接端口8为平台侧栅极连接端口，第一连接线3为源极连接线，第二连接线2为漏极连接线，第三连接线1为栅极连接线。漏极连接线2和源极连接线3叠层设计，即对于SiCMOSFET器件而言，功率回路的进出两部分布线在FPC板的两层重叠布置，因聚酰亚胺材料的高绝缘性能，叠层需要的绝缘间距很小，从而利用叠层回路彼此的互感可显著减小回路寄生电感；同时也要保证其一定的叠层间距以控制叠层寄生电容的引入。
双脉冲测试平台连接端设置有第一测量端子17、第二测量端子16和第三测量端子15，从第一连接端口14引出的第四连接线7与第一测量端子17相连，从第二连接端口13引出的第五连接线6与第二测量端子16相连，从第三连接端口12引出的第六连接线5与第三测量端子15相连，第四连接线7和第五连接线6平行叠层排布且具有叠层间距；其中，第一测量端子17为源极辅助测量线端子，第二测量端子16为漏极辅助测量线端子，第三测量端子15为栅极辅助测量线端子，第四连接线7为源极辅助测量线，第五连接线6为漏极辅助测量线，第六连接线5为栅极辅助测量线。
第一连接线3、第二连接线2、第三连接线1、第四连接线7、第五连接线6和第六连接线5均布设在柔性印刷线路板上。
双脉冲测试平台连接端还包括第七连接端口11，第一连接端口14引出的第七连接线4与第七连接端口11相连，第七连接线4为辅助源极连接线或辅助反射极连接线，第七连接线4布设在柔性印刷线路板上。
柔性印刷线路板b分成顶层和底层两层布线，其中，栅极连接线1、漏极连接线2、栅极辅助测量线5和漏级辅助测量线6布设到柔性印刷线路板b的顶层，源极连接线3、辅助源极连接线4和源极辅助测量线7布设到柔性印刷线路板b的底层。
其中，第七连接端口11为辅助源极连接端口，第七连接线4为辅助源极连接线。测试系统采用辅助源极接法的接线方式，其中，栅极连接线1、漏极连接线2、源极连接线3和辅助源极连接线4选取了3mm的线宽，栅极连接线1与漏极连接线2的线间距以及漏极连接线2与辅助源极连接线4之间的线间距均为较大线间距。栅极连接线1与漏极连接线2的线间距约为10mm，漏极连接线2与辅助源极连接线4之间的线间距约为7mm。漏极连接线2与源极连接线3为叠层设计，减小了漏源极回路寄生电感，同时控制叠层寄生电容的引入，选取了125μm的叠层间距。并且漏极辅助测量线6与源极辅助测量线7选取了1mm的线宽以控制叠层寄生电容的引入。
栅极辅助测量线5、漏极辅助测量线6、源极辅助测量线7分别以开尔文接法从器件侧栅极连接端口12、器件侧漏极连接端口13和器件侧源极连接端口14引出，连接至另一侧相应的栅极辅助测量端子15、漏极辅助测量端子16、源极辅助测量线端子17，栅极辅助测量端子15、漏极辅助测量端子16和源极辅助测量线端子17与示波器相连。漏极辅助测量线6和源极辅助测量线7同样采用了叠层设计以减小测量回路的寄生电感，从而实现准确的远程测量。
FPC板上的布线方案可根据实际需求选择：如共源极(共发射极)接法、辅助源极(辅助发射极)接法或混合式接法等连接方式；在保证足够载流能力基础上选择合适的线宽，以控制寄生参数；选择较大的平行非重叠布线的线间距以控制布线间寄生电容的引入。
平台侧栅极连接端口8、平台侧漏极连接端口9、平台侧源极连接端口10和平台侧辅助源极连接端口11为柔性印刷线路板与双脉冲平台连接端口，其为两排焊盘的形式，通过焊接的方式与双脉冲测试平台相连接。
器件侧栅极连接端口12、器件侧漏极连接端口13和器件侧源极连接端口14为柔性印刷线路板与功率半导体器件连接端口，其为条状表面覆铜的形式，附近设有螺栓通孔18，配合耐高温连接件及夹具连接SiCMOSFET器件。
图3为柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端示意图，图4为柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端和陶瓷插座连接示意图，如图3-4所示，系统还包括连接件19和夹具，连接件19和夹具为耐高温的螺栓、陶瓷和铜片构成，连接件19和夹具将功率半导体器件各极连接至FPC板的功率半导体器件连接端口，本实施例中连接件19为陶瓷插座，夹具为螺栓，陶瓷插座19用来将功率半导体器件连接到柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端，螺栓用来固定柔性印刷线路板和功率半导体器件，功率半导体器件连接端和陶瓷插座19上均设有螺栓通孔。利用螺栓穿过螺栓通孔18，将张开状态下陶瓷插座19的三极铜芯19-1固定在对应的柔性印刷线路板与器件连接端口位置上，从而通过陶瓷插座19和螺栓将SiCMOSFET器件与FPC板相连接。
采用高低温试验箱作为温控装置，将连接着FPC板的SiCMOSFET器件穿过高低温试验箱腔壁上的通孔，置于高低温试验箱腔内中，即可进行SiCMOSFET的高低温动态特性远程测试。
本发明公开了一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，该系统中柔性印刷线路板的一端为功率半导体器件连接端，另一端为双脉冲测试平台连接端；功率半导体器件各极连接线从柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端的各端口引出，连接至柔性印刷线路板的双脉冲测试平台连接端的各对应端口；同时功率半导体器件各极辅助测量线从柔性印刷线路板的功率半导体器件连接端的各端口引出，连接至柔性印刷线路板的双脉冲测试平台连接端的各对应测量端子；其中，功率回路的连接线采用叠层设置且具有叠层间距，同时辅助测量线同样采用了叠层设计，减小连接回路的寄生电感，从而提高功率半导体器件远程测量的准确性。功率回路为功率半导体器件的开关主回路，对于SiCMOSFET器件来说指的是漏极、源极构成的回路连接线。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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 (9)

1.一种功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述系统包括：柔性印刷线路板、双脉冲测试平台和温控装置，所述温控装置用于为功率半导体器件提供高低温环境，所述柔性印刷线路板的一端为功率半导体器件连接端，另一端为所述双脉冲测试平台连接端，所述功率半导体器件连接端包括第一连接端口(14)、第二连接端口(13)和第三连接端口(12)，所述第三连接端口(12)为功率半导体器件公共极连接端口，所述双脉冲测试平台连接端包括第四连接端口(10)、第五连接端口(9)和第六连接端口(8)，从所述第一连接端口(14)引出的第一连接线(3)与所述第四连接端口(10)相连，从所述第二连接端口(13)引出的第二连接线(2)与所述第五连接端口(9)相连，从所述第三连接端口(12)引出的第三连接线(1)与所述第六连接端口(8)相连，所述第一连接线(3)和所述第二连接线(2)平行叠层排布且具有第一叠层间距；
所述双脉冲测试平台连接端设置有第一测量端子(17)、第二测量端子(16)和第三测量端子(15)，从所述第一连接端口(14)引出的第四连接线(7)与所述第一测量端子(17)相连，从所述第二连接端口(13)引出的第五连接线(6)与所述第二测量端子(16)相连，从所述第三连接端口(12)引出的第六连接线(5)与所述第三测量端子(15)相连，所述第四连接线(7)和所述第五连接线(6)平行叠层排布且具有第二叠层间距；
所述第一连接线(3)、所述第二连接线(2)、所述第三连接线(1)、所述第四连接线(7)、所述第五连接线(6)和所述第六连接线(5)均布设在所述柔性印刷线路板上；
所述双脉冲测试平台连接端还包括第七连接端口(11)，所述第一连接端口(14)引出的第七连接线(4)与所述第七连接端口(11)相连，所述第七连接线(4)为辅助源极连接线或辅助发射极连接线，所述第七连接线(4)布设在所述柔性印刷线路板上。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述第一连接端口(14)与所述第一连接端子(17)之间、所述第二连接端口(13)与所述第二连接端子(16)之间和所述第三连接端口(12)与所述第三连接端子(15)之间均采用开尔文接法。
3.根据权利要求1所述的功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述柔性印刷线路板通过聚酰亚胺材料和铜箔压合而成。
4.根据权利要求1所述的功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述系统还包括连接件和夹具，所述连接件用来将功率半导体器件连接到所述柔性印刷线路板的所述功率半导体器件连接端，所述夹具用来固定所述柔性印刷线路板和功率半导体器件。
5.根据权利要求4所述的功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述连接件为陶瓷插座。
6.根据权利要求5所述的功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述夹具为螺栓，所述功率半导体器件连接端和所述陶瓷插座上均设有螺栓通孔。
7.根据权利要求1所述的功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述第四连接端口(10)、所述第五连接端口(9)和所述第六连接端口(8)分别为焊盘。
8.根据权利要求1所述的功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述第一连接端口(14)、所述第二连接端口(13)和所述第三连接端口(12)分别为条形金属，所述条形金属表面覆铜。
9.根据权利要求1所述的功率半导体器件的高低温动态特性远程测试系统，其特征在于，所述第一测量端子(17)、所述第二测量端子(16)和所述第三测量端子(15)与示波器相连。
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