CN112462221A - 一种用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，包括加热器、压接组件和被测半导体芯片；所述被测半导体芯片设置在压接组件内，所述压接组件放置在加热器内，所述加热器上设置测试引出孔，所述被测半导体芯片通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接。本发明的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，解决现有的压接式半导体器件为密闭管壳结构，若成为失效器件，则在长期通流过程中内部的各项物理参数难以探测和分析的问题。

Description

一种用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置
技术领域
本发明涉及功率半导体器件测试领域，具体涉及一种用于压接式半导体高温老化失效的测试装置。
背景技术
随着可再生能源和直流电网的快速发展，基于大功率压接式半导体的功率变换技术和电流开断的技术得到深入研究和应用，现有柔性直流输电系统中的模块化多电平功率变换技术采用多个模块级联，而一旦某个模块发生故障时，为了维持电网继续稳定运行，需要保证故障模块的可靠旁路，这需要保证失效器件的长期短路特性，另外在级联式固态断路器应用中一旦某个模块发生失效后，也对器件的长期短路特性有一定要求，但是现有失效器件的短路发展特性没有得到有效探究和分析。
与良好器件在正常状况下的运行情况不同，失效器件在长期通流下内部可能会发生电流的集中，具有很高的温升，整个失效器件内部的金属及有机物可能会发生较为剧烈的高温物理及化学反应，造成失效器件封装状态和短路特性的不稳定。
而现有压接式半导体器件为密闭管壳结构，若成为失效器件，则在长期通流过程中内部的各项物理参数难以探测和分析。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，解决现有的压接式半导体器件为密闭管壳结构，若成为失效器件，则在长期通流过程中内部的各项物理参数难以探测和分析的问题。
本发明通过如下技术方案实现：
本发明的一种用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，包括加热器、压接组件和被测半导体芯片；
所述被测半导体芯片设置在压接组件内，所述压接组件放置在加热器内，所述加热器上设置测试引出孔，所述被测半导体芯片通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接。
进一步的，所述压接组件包括支撑组件、施压组件、顶部电极、底部电极和引出件；
所述被测半导体芯片置于所述支撑组件内；
所述顶部电极置于所述支撑组件内，顶部电极设置在所述被测半导体芯片的上端面，并与被测半导体芯片的上端面接触；
所述底部电极置于所述支撑组件内，底部电极设置在所述测半导体芯片的下端面，并与被测半导体芯片的下端面接触；
所述支撑组件的顶部开设通孔，所述施压组件穿过所述通孔设于支撑组件的内部上方区域，用于向被测半导体芯片施加压力；
所述引出件一端与顶部电极和底部电极连接，所述引出件另一端通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接。
进一步的，所述压接组件还包括接触电极；
所述接触电极包括第一接触电极和第二接触电极；
所述第一接触电极一端与所述顶部电极连接，所述第一接触电极另一端与所述引出件连接；
所述第二接触电极一端与所述底部电极连接，所述第二接触电极另一端与所述引出件连接。
进一步的，所述引出件包括第一引出铜排和第二引出铜排；
所述第一引出铜排一端与所述第一接触电极连接，另一端通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接；
所述第二引出铜排与所述第二接触电极连接，另一端通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接。
进一步的，所述支撑组件包括顶板、底板和侧板；
所述顶板上开设所述通孔；
所述侧板上端与顶板固定连接；
所述侧板下端与底板固定连接。
进一步的，所述施压组件包括连接套筒和调节螺栓；
所述连接套筒设于所述通孔的位置，所述连接套筒的外壁与所述通孔插接；
所述连接套筒的内部开设内螺纹；
所述调节螺栓的外螺纹能够与所述内螺纹螺纹匹配连接；
所述调节螺栓能够在外力下经由螺纹在连接套筒内向下旋进，在向下移动的过程中，调节螺栓的底部能够对被测半导体芯片施加压力。
进一步的，所述连接套筒的底端外壁设置环形凸起；
所述连接套筒的外壁在顶板的下端面和环形凸起的上端面之间套设碟簧；
所述碟簧一端与所述顶板的下端面连接，所述碟簧另一端与所述环形凸起的上端面连接。
进一步的，所述压接组件还包括绝缘片，所述绝缘片包括第一绝缘片和第二绝缘片；
所述第一绝缘片设置在所述第一接触电极的顶端；
所述第二绝缘片设置在所述第二接触电极的底端。
进一步的，所述还包括均压器和压接板；
所述均压器设置在所述第二接触电极的底端；
所述压接板设置在所述第一绝缘片的上端。
进一步的，模拟测试装置还包括连接导管，所述连接导管一端伸入所述加热器内，另一端伸出所述测试引出孔与外部收集器连接。
和最接近的现有技术比，本发明的技术方案具备如下有益效果：
本发明提供一种用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，在加热器内设置压接组件，在压接组件内设置被测半导体芯片，加热器上设置测试引出孔，被测半导体芯片通过测试引出孔用于和外部测试设备连接，整个模拟测试装置可模拟普通外部电加热器难以达到的高温环境，测试装置安装便捷，对被测半导体芯片的施加压力易于调节且均匀，适用于模拟压接式的IGBT半导体芯片或者IGCT半导体芯片在300℃至1000℃的高温老化至后续失效通流过程中的电阻及温度监测。
本发明提供的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，通过从加热器内引出连接导管与气体、烟尘收集器连接，便于对被测半导体芯片的物理及化学反应的反应产物进行测定分析。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本实施例的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置的剖视图；
图2为图1中压接组件放置被测半导体芯片的主视图；
图3为图1中压接组件放置被测半导体芯片的侧视图；
图4为图1中压接组件放置被测半导体芯片的俯视图；
图5为本实施例的的压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置与外部测试设备的连接示意图。
其中，1-被测半导体芯片，2-1-炉壁，2-2-炉门，2-3-炉腔，3-1-第一测试引出孔，3-2-第二测试引出孔，4-1-顶板，4-2-底板，4-3-侧板，5-通孔，6-紧固螺栓，7-1-顶部电极，7-2-底部电极，8-连接套筒，9-调节螺栓，10-环形凸起，11-碟簧，12-1-第一接触电极,12-2-第二接触电极，13-1-第一引出铜排，13-2第二引出铜排,14-1-第一绝缘片，14-2-第二绝缘片，15-压接板，16-均压器，17-连接导管。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，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作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。
图1为本实施例的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置的剖视图，模拟测试装置包括加热器、压接组件和被测半导体芯片1。
加热器采用高温马弗炉，高温马弗炉包括炉壁2-1、炉门2-2以及炉腔2-3，炉壁2-1上开设测试引出孔，被测半导体芯片1通过测试引出孔用于和外部测试设备连接，从图1中可以看出测试引出孔包括第一测试引出孔3-1和第二测试引出孔3-2，炉腔2-3内放置压接组件，压接组件内放置被测半导体芯片1，被测半导体芯片1包括但不限于IGBT半导体芯片或者IGCT半导体芯片。
由于模拟测试装置内部为高温环境，上述的压接组件材质采用耐高温的金属结构或者绝缘结构，如图2所示，压接组件包括支撑组件、施压组件、引出件、顶部电极7-1、底部电极7-2；
支撑组件内放置被测半导体芯片1，支撑组件包括顶板4-1、底板4-2和侧板4-3，顶板4-1上开设通孔5，侧板4-3包括第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板依次连接成支撑组件的侧壁，支撑组件的侧壁顶端与顶板4-1连接，支撑组件的侧壁底端与底板4-2连接，具体是第一侧板的上端和顶板4-1侧壁通过紧固螺栓6固定连接，第一侧板的下端和底板4-1侧壁通过紧固螺栓6(如图3或4所示)固定连接，第三侧板的上端和顶板4-1侧壁通过紧固螺栓6固定连接，第三侧板的下端和底板4-2侧壁通过紧固螺栓6固定连接。
顶部电极7-1置于支撑组件内，并且顶部电极7-1设置在被测半导体芯片1的上端面，且与被测半导体芯片1的上端面接触；
底部电极7-2置于支撑组件内，并且底部电极7-2设置在被测半导体芯片1的下端面，且与被测半导体芯片1的下端面接触。
施压组件包括连接套筒8和调节螺栓9，连接套筒8设于顶板4-1的通孔5位置，具体是连接套筒8设于通孔5内，连接套筒8的外壁与通孔5插接，连接套筒8的内部开设内螺纹，调节螺栓9的外螺纹能够与连接套筒8的内螺纹螺纹匹配连接，调节螺栓9的底部通过顶板4-1的通孔5与连接套筒8的内螺纹连接过程中，调节螺栓9的底部穿过顶板4-1的通孔5向支撑组件内部上方区域移动，并直至压接上述的顶部电极7-1，从而间接对被测半导体芯片1施加压力，调节螺栓9的底部形状没有特殊设计，优选的，调节螺栓9的底部形状为弧形、球形或锥形，并且可以在调节螺栓9的顶部开设六角螺栓孔，从而便于旋转调节螺栓9，进而间接对被测半导体芯片1施加压力。
上述连接套筒8的底端外壁设置环形凸起10，连接套筒8的外壁在顶板4-1的下端面和环形凸起10的上端面之间套设碟簧11，碟簧11一端与顶板4-1的下端面连接，碟簧11另一端与环形凸起10的上端面连接，环形凸起10与连接套筒8的底端外壁连接关系、碟簧11与顶板4-1的连接关系以及碟簧11与环形凸起10的连接关系没有具体限定，本领域技术人员可以根据需要设定，优选的，环形凸起10可以与连接套筒8的底端外壁一体成型，也可以与连接套筒8的底端外壁焊接，碟簧11与顶板4-1焊接，碟簧11与环形凸起10焊接；
上述在连接套筒8的外壁在顶板4-1的下端面和环形凸起10的上端面之间套设碟簧11，碟簧的弹性形变可以使得压力具备可调节范围，能够使得调节螺栓9间接对被测半导体芯片1的施加压力与碟簧11形变产生的形变力保持平衡，从而实现调节螺栓9对被测半导体芯片1的稳定压接。
上述压接组件还包括接触电极，作为电接触部件连接被测半导体芯片1和引出件，接触电极包括第一接触电极12-1和第二接触电极12-2；
第一接触电极12-1设置在顶部电极7-1的上方，第一接触电极12-1的下端面与顶部电极7-1的上端面接触；
第二接触电极12-2设置在底部电极7-2的下方，第二接触电极12-2的上端面与底部电极7-2的下端面接触。
上述引出件一端与顶部电极7-1和底部电极7-2连接，引出件另一端通过测试引出孔和外部测试设备连接，具体如下：
上述引出件包括第一引出铜排13-1和第二引出铜排13-2；
第一引出铜排13-1一端与第一接触电极12-1连接，从而实现与顶部电极7-1连接，第一引出铜排13-1另一端通过第一测试引出孔3-1和外部测试设备连接；
第二引出铜排13-2一端与第二接触电极12-2连接，从而实现与底部电极7-2连接，第二引出铜排13-2另一端通过第二测试引出孔3-2和外部测试设备连接；
图5所示为本实施例的压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置与外部测试设备的连接示意图，图中示意外部测试设备为半导体电阻测试设备，但需要说明的是，外部测试设备包括但不限于图中示意的半导体电阻测试设备。
为了将施压组件和作为电测试主体的被测半导体芯片进行绝缘处理，上述压接组件还包括绝缘片，绝缘片包括第一绝缘片14-1和第二绝缘片14-2，第一绝缘片14-1设置在第一接触电极12-1的顶端，第二绝缘片14-2设置在第二接触电极12-2的底端；
由于模拟测试装置内部为高温环境，上述的压接组件材质采用的是耐高温的金属结构或者绝缘结构，因此，绝缘片无法采用普通的绝缘有机物，第一绝缘片14-1和第二绝缘片14-2需要采用高温绝缘片，优选的，第一绝缘片14-1和第二绝缘片14-2采用云母片，但第一绝缘片14-1和第二绝缘片14-2并不限于采用云母片。
针对压接组件设置绝缘片的情况，由于顶部电极7-1的上端面接触第一接触电极12-1，第一接触电极12-1的顶端设置第一绝缘片14-1，因此调节螺栓9会通过第一绝缘片14-1对被测半导体芯片1间接施加压力，为了防止调节螺栓9的底部通过第一绝缘片14-1向被测半导体芯片1间接施加压力的过程中，对第一绝缘片14-1造成破坏，上述第一绝缘片14-1的上端放置压接板15，压接板15能够匹配调节螺栓9底部的结构设置，调节螺栓9的底部通过压接板15向第一绝缘片14-1施加压力，从而实现调节螺栓9的底部向被测半导体芯片1间接施加压力过程中，不会对第一绝缘片14-1造成破坏。
上述压接组件还包括均压器16，均压器16设置在第二接触电极12-2的底端，在第二接触电极12-2的底端设置均压器16，可以对调节螺栓9对被测半导体芯片1施加的压力进行均匀调节，均压器16的构造没有具体限定，本领域技术人员采用现有均压器即可。
为了便于对支撑组件内被测半导体芯片1在高温环境下发生的物理及化学反应进行测定分析，上述模拟测试装置还包括连接导管17，连接导管17一端伸入加热器内，连接导17管另一端伸出测试引出孔伸出和外部收集器连接，从而可以将支撑组件内被测半导体芯片1在高温环境下发生的物理及化学反应的反应产物通过连接导管17送至外部收集器，然后将外部收集器送至测定设备进行测定分析，图5示意外部收集器为气体、烟尘收集器；
需要说明的是，连接导管17可以从第一测试引出孔3-1伸出，也可以从第二测试引出孔3-2伸出。
本实施例的上述第一测试引出孔3-1和第二测试引出孔3-2在伸出第一引出铜排13-1、第二引出铜排13-2以及连接导管17的剩余空隙部分采用耐高温棉进行填充，填充耐高温棉的作用是增加热阻，提高加热器的加热效率和温度稳定性，避免过多热量从空隙中流失。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然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，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，包括加热器、压接组件和被测半导体芯片；
所述被测半导体芯片设置在压接组件内，所述压接组件放置在加热器内，所述加热器上设置测试引出孔，所述被测半导体芯片通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接。
2.根据权利要求1所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，所述压接组件包括支撑组件、施压组件、顶部电极、底部电极和引出件；
所述被测半导体芯片置于所述支撑组件内；
所述顶部电极置于所述支撑组件内，顶部电极设置在所述被测半导体芯片的上端面，并与被测半导体芯片的上端面接触；
所述底部电极置于所述支撑组件内，底部电极设置在所述测半导体芯片的下端面，并与被测半导体芯片的下端面接触；
所述支撑组件的顶部开设通孔，所述施压组件穿过所述通孔设于支撑组件的内部上方区域，用于向被测半导体芯片施加压力；
所述引出件一端与顶部电极和底部电极连接，所述引出件另一端通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接。
3.根据权利要求2所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，
所述压接组件还包括接触电极；
所述接触电极包括第一接触电极和第二接触电极；
所述第一接触电极一端与所述顶部电极连接，所述第一接触电极另一端与所述引出件连接；
所述第二接触电极一端与所述底部电极连接，所述第二接触电极另一端与所述引出件连接。
4.根据权利要求3所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，
所述引出件包括第一引出铜排和第二引出铜排；
所述第一引出铜排一端与所述第一接触电极连接，另一端通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接；
所述第二引出铜排与所述第二接触电极连接，另一端通过所述测试引出孔用于和外部测试设备连接。
5.根据权利要求2所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，所述支撑组件包括顶板、底板和侧板；
所述顶板上开设所述通孔；
所述侧板上端与顶板固定连接；
所述侧板下端与底板固定连接。
6.根据权利要求5所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，所述施压组件包括连接套筒和调节螺栓；
所述连接套筒设于所述通孔的位置，所述连接套筒的外壁与所述通孔插接；
所述连接套筒的内部开设内螺纹；
所述调节螺栓的外螺纹能够与所述内螺纹螺纹匹配连接；
所述调节螺栓能够在外力下经由螺纹在连接套筒内向下旋进，在向下移动的过程中，调节螺栓的底部能够对被测半导体芯片施加压力。
7.根据权利要求6所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，所述连接套筒的底端外壁设置环形凸起；
所述连接套筒的外壁在顶板的下端面和环形凸起的上端面之间套设碟簧；
所述碟簧一端与所述顶板的下端面连接，所述碟簧另一端与所述环形凸起的上端面连接。
8.根据权利要求3所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，所述压接组件还包括绝缘片，所述绝缘片包括第一绝缘片和第二绝缘片；
所述第一绝缘片设置在所述第一接触电极的顶端；
所述第二绝缘片设置在所述第二接触电极的底端。
9.根据权利要求8所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，所述还包括均压器和压接板；
所述均压器设置在所述第二接触电极的底端；
所述压接板设置在所述第一绝缘片的上端。
10.根据权利要求1所述的用于压接式半导体的高温老化失效的模拟测试装置，其特征在于，模拟测试装置还包括连接导管，所述连接导管一端伸入所述加热器内，另一端伸出所述测试引出孔与外部收集器连接。
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