CN112198189A - 一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，包括测试主机、测试连接线缆、液冷板、加压装置底座、加压装置支架、加压装置、加压头、一体化热阻测试工装和制冷机，加压装置底座为平板结构，加压装置支架为L型支架；加压装置支架顶部固定加压装置，加压装置与加压装置底座垂直安装，通过加压头对待测器件提供压力，保证器件与一体化热阻测试工装散热表面紧密接触；加压头与待测器件不发生热交换；测试连接线缆为待测器件提供加热功率输出，采集待测器件温度敏感参数，并传给测试主机。本发明具有重复测量一致性好、测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，属于半导体测试技术。
背景技术
热阻是一个物理学概念，指的是热流(功率)流过导热体时所受到的阻力(会在导热体上产生温差)。热阻的倒数就是热导，通俗地讲，物体导热性能好就是热阻小。对于半导体器件来讲，在工作的时候要施加一定的功率(特别是功率器件)，这一功率的绝大部分被转换为热量，并导致器件芯片的温升。芯片上的热量通过芯片烧结材料传递到外壳，并进一步传递到周围的空气环境。
目前国内外针对底部带有电极的功率模块/器件结壳热阻测量采用多块金属板组成测工装，金属板之间电气绝缘，在待测器件底部金属板内埋置热电偶，容易造成器件散热热场不连续，器件底部温度分布不均匀，固定埋置热电偶与器件底部接触不良，造成温度测量偏差；金属板与器件电极接触电阻较大，器件结温测试存在误差，从而导致器件/模块热阻测量误差较大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明通过采用带用伸缩电极和伸缩热电偶的一体化工装，可测量底部带电极的功率模块/器件结壳热阻，解决了待测器件底部散热面温度分布不均匀、固定热电偶引入接触热阻及接触电阻造成测试误差大的问题，具有重复测量一致性好、测量精度高的优点。
本发明解决技术的方案是：
一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，包括测试主机、测试连接线缆、液冷板、加压装置底座、加压装置支架、加压装置、加压头、一体化热阻测试工装和制冷机，
加压装置底座为平板结构，加压装置支架为L型支架；加压装置支架顶部固定加压装置，加压装置与加压装置底座垂直安装，通过加压头对待测器件提供压力，保证器件与一体化热阻测试工装散热表面紧密接触；加压头与待测器件不发生热交换；
测试连接线缆为待测器件提供加热功率输出，采集待测器件温度敏感参数，并传给测试主机；
制冷机为可控温制冷设备，将冷却液控制在规定温度，通过冷却液进出管道流入到液冷板，对液冷板温度进行控制；
液冷板内部加工液冷换热槽道，并设置有液冷进出接口。
进一步的，制冷机可将冷却液温度控制在15℃～200℃之间，以满足不同测试器件的需求。
进一步的，一体化热阻测试工装包括电极伸缩装置、温度传感器、散热块和电极接口，
散热块为正方形，为一体化热阻测试工装的支持结构，为待测器件提供散热路径，作为待测器件一个电极的供电和测量通道；
电极伸缩装置与电极接口安装在散热块内部，电极伸缩装置从散热块上表面露出，电极接口从散热块侧面引出，与测试连接线缆连通，为待测器件电极提供电流、接收测量信号；
温度传感器安装在散热块内部，从散热块上表面露出，用于待测器件壳温测量。
进一步的，温度传感器包括K型热电偶、热电偶固定环、弹簧和弹簧固定片，散热块内部根据热电偶直径、热电偶固定环直径、弹簧固定片直径开不同直径的圆柱，保证零件能安装到散热块内部。
进一步的，K型热电偶其端头为熔化连接，直径小于0.8mm。
进一步的，热电偶固定环为中间带通孔的聚酰亚胺圆柱体，热电偶头部穿过通孔后露出，与热电偶导线之间使用胶粘剂连接，保持相对位置不发生移动。
进一步的，弹簧用于为热电偶固定环提供弹力，保证热电偶与器件接触时具有一定压力。
进一步的，弹簧固定片为聚酰亚胺材料，与散热块之间连接，固定弹簧，保证热电偶露出散热块上表面。
进一步的，电极伸缩装置包括电极、电极弹簧和下固定片，
电极整体形状为L型，L型短边为圆柱形，用于和待测器件电极接触，L型长边为矩形，用于将电极从散热块顶面引出到侧面，便于和测试连接电缆之间的固定连接；
电极L型长边上开圆形浅槽，用于安装电极弹簧，下固定片与散热块之间连接，保证电极在受到外部压力时能灵活升降。
进一步的，加压装置产生的压力在0～100N之间。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用气缸加压装置对待测器件施加压力，保证器件热一体化工装散热面接触良好，减小接触热阻误差，通过限位板的引出保证了每次测量位置的一致性，提高了重复测量的测试精度；
(2)本发明伸缩式温度传感器保证了测试过程中热电偶与器件底面紧固接触，确保了器件壳温测量的精度；
(3)本发明设计了一体化散热工装，电极与散热块一体化结构保证了待测器件散热面温度场的均匀性，缩小了壳温测试误差，解决了管壳带电极结构功率器件壳温测量不准确的问题；
(4)本发明采用静态测量法，解决了动态法测量过程中加热电流与测量电流频发切换导致结温不稳定，测量误差大的问题。
附图说明
图1为本发明测试工装外形示意图；
图2为本发明一体化热阻测试工装结构示意图；
图3为本发明温度传感器结构示意图；
图4为本发明伸缩电极结构示意图，
其中112-上固定片，115-第二螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，如图1所示，包括测试主机10、测试连接线缆9、液冷板4、加压装置底座6、加压装置支架5、加压装置2、加压头3、一体化热阻测试工装1和制冷机7，
加压装置底座6为平板结构，加压装置支架5为L型支架；加压装置支架5顶部固定加压装置2，加压装置2与加压装置底座6垂直安装，通过加压头3对待测器件提供压力，加压装置2产生的压力在0～100N之间，保证器件与一体化热阻测试工装1散热表面紧密接触；加压头3与待测器件不发生热交换；
测试连接线缆9为待测器件提供加热功率输出，采集待测器件温度敏感参数，并传给测试主机10；
制冷机7为可控温制冷设备，将冷却液控制在规定温度，通过冷却液进出管道流入到液冷板4，对液冷板温度进行控制；
液冷板4内部加工液冷换热槽道，并设置有液冷进出接口。
制冷机可将冷却液温度控制在15℃～200℃之间，以满足不同测试器件的需求。
一体化热阻测试工装1包括电极伸缩装置11、温度传感器12、散热块15和电极接口16，如图2所示，散热块15为正方形，为一体化热阻测试工装1的支持结构，为待测器件提供散热路径，作为待测器件一个电极的供电和测量通道；电极伸缩装置11与电极接口16安装在散热块15内部，电极伸缩装置11从散热块上表面露出，电极接口16从散热块侧面引出，与测试连接线缆9连通，为待测器件电极提供电流、接收测量信号；
温度传感器12安装在散热块15内部，从散热块15上表面露出，用于待测器件壳温测量。
如图3所示，温度传感器12包括K型热电偶121、热电偶固定环123、弹簧124和弹簧固定片125，散热块15内部根据热电偶121直径、热电偶固定环123直径、弹簧固定片125直径开不同直径的圆柱，保证零件能安装到散热块15内部。K型热电偶121其端头为熔化连接，直径小于0.8mm。
热电偶固定环123为中间带通孔的聚酰亚胺圆柱体，热电偶头部穿过通孔后露出，与热电偶导线之间使用胶粘剂连接，保持相对位置不发生移动。弹簧124用于为热电偶固定环123提供弹力，保证热电偶121与器件接触时具有一定压力。弹簧固定片125为聚酰亚胺材料，通过第一螺钉126与散热块15之间连接，固定弹簧124，保证热电偶121露出散热块15上表面。
如图4所示，电极伸缩装置11包括电极111、电极弹簧113和下固定片114，电极111整体形状为L型，L型短边为圆柱形，用于和待测器件电极接触，L型长边为矩形，用于将电极从散热块15顶面引出到侧面，便于和测试连接电缆9之间的固定连接；
电极111L型长边上开圆形浅槽，用于安装电极弹簧113，下固定片114与散热块15之间连接，保证电极111在受到外部压力时能灵活升降。
本发明的具体实施例如图1所示，将液冷板4放置到加压装置底板6表面，液冷板4进出水口与制冷机7出水口通过冷却液进出管道8进行连接，启动制冷机7，设置冷却液温度25℃，流量1000L/h以上，运行15分钟，保证液冷板4温度稳定；
将一体化热阻测试工装1底面涂覆导热硅脂后放置在液冷板表面，使用螺钉连接，拧紧螺钉指导一体化热阻测试工装1每个侧边都有导热硅脂溢出；调整液冷板4位置保证加压头3能正对待测器件中心位置；
将加压装置接气缸接口与压缩空气管道连通，通过减压阀控制压力在1MPa以下；将待测器件放置在一体化测试工作限位板14内，确认电极放置正确，器件散热面涂抹导热硅脂，将加压装置2气动开关打开，对待测器件进行加压，观察器件四周，调整压缩空气压力，直到有明显的导热硅脂溢出即可；
将测量连接电缆9与一体化工装的电极接口13，热电偶121导线插头进行连接，发送测量信号对连接正确性进行验证。
对待测模块/器件通测量电流，记录此时温度敏感参数及一体化工装中温度传感器12的测量结果，关断测量电流，对待测器件进行持续加热，加热时间在200s左右，保证器件达到热稳定状态，在关断加热电流的同时接通测试电流，同时记录此时的温度敏感参数和温度传感器测量结果，通过计算可得出功率模块/器件稳态结壳热阻。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，包括测试主机(10)、测试连接线缆(9)、液冷板(4)、加压装置底座(6)、加压装置支架(5)、加压装置(2)、加压头(3)、一体化热阻测试工装(1)和制冷机(7)，
加压装置底座(6)为平板结构，加压装置支架(5)为L型支架；加压装置支架(5)顶部固定加压装置(2)，加压装置(2)与加压装置底座(6)垂直安装，通过加压头(3)对待测器件提供压力，保证器件与一体化热阻测试工装(1)散热表面紧密接触；加压头(3)与待测器件不发生热交换；
测试连接线缆(9)为待测器件提供加热功率输出，采集待测器件温度敏感参数，并传给测试主机(10)；
制冷机(7)为可控温制冷设备，将冷却液控制在规定温度，通过冷却液进出管道流入到液冷板(4)，对液冷板温度进行控制；
液冷板(4)内部加工液冷换热槽道，并设置有液冷进出接口。
2.如权利要求1所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，制冷机可将冷却液温度控制在15℃～200℃之间，以满足不同测试器件的需求。
3.如权利要求1所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，一体化热阻测试工装(1)包括电极伸缩装置(11)、温度传感器(12)、散热块(15)和电极接口(16)，
散热块(15)为正方形，为一体化热阻测试工装(1)的支持结构，为待测器件提供散热路径，作为待测器件一个电极的供电和测量通道；
电极伸缩装置(11)与电极接口(16)安装在散热块(15)内部，电极伸缩装置(11)从散热块上表面露出，电极接口(16)从散热块侧面引出，与测试连接线缆(9)连通，为待测器件电极提供电流、接收测量信号；
温度传感器(12)安装在散热块(15)内部，从散热块(15)上表面露出，用于待测器件壳温测量。
4.如权利要求3所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，温度传感器(12)包括K型热电偶(121)、热电偶固定环(123)、弹簧(124)和弹簧固定片(125)，散热块(15)内部根据热电偶(121)直径、热电偶固定环(123)直径、弹簧固定片(125)直径开不同直径的圆柱，保证零件能安装到散热块(15)内部。
5.如权利要求4所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，K型热电偶(121)其端头为熔化连接，直径小于0.8mm。
6.如权利要求4所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，热电偶固定环(123)为中间带通孔的聚酰亚胺圆柱体，热电偶头部穿过通孔后露出，与热电偶导线之间使用胶粘剂连接，保持相对位置不发生移动。
7.如权利要求4所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，弹簧(124)用于为热电偶固定环(123)提供弹力，保证热电偶(121)与器件接触时具有一定压力。
8.如权利要求4所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，弹簧固定片(125)为聚酰亚胺材料，与散热块(15)之间连接，固定弹簧(124)，保证热电偶(121)露出散热块(15)上表面。
9.如权利要求3所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，电极伸缩装置(11)包括电极(111)、电极弹簧(113)和下固定片(114)，
电极(111)整体形状为L型，L型短边为圆柱形，用于和待测器件电极接触，L型长边为矩形，用于将电极从散热块(15)顶面引出到侧面，便于和测试连接电缆(9)之间的固定连接；
电极(111)L型长边上开圆形浅槽，用于安装电极弹簧(113)，下固定片(114)与散热块(15)之间连接，保证电极(111)在受到外部压力时能灵活升降。
10.如权利要求1所述的一种基于静态测量法的功率模块热阻测试装置，其特征在于，加压装置(2)产生的压力在0～100N之间。
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| SHAKOURI, A.: "Nanoscale thermal transport and microrefrigerators on a chip", PROCEEDINGS OF THE IEEE, vol. 94, no. 8, 31 August 2006 (2006-08-31), pages 1613 - 1638, XP002577776, DOI: 10.1109/JPROC.2006.879787 * |
| 宋成轶: "聚合物基热界面材料界面接触热阻的研究进展", 集成技术, vol. 8, no. 1, 31 January 2019 (2019-01-31), pages 54 - 67 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117434311A (zh) * | 2023-09-28 | 2024-01-23 | 海信家电集团股份有限公司 | 功率器件的测试装置 |
| CN117554198A (zh) * | 2023-11-21 | 2024-02-13 | 华钛空天(北京)技术有限责任公司 | 一种冷板压力测试装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112198189B (zh) | 2024-05-14 |
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