CN113447175A - 非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测方法及系统，属于半导体器件技术领域。该系统采用由超声探头、金属垫块、弹簧、承重金属板组成的超声弹性探头测试板，根据压接型功率半导体器件封装方式及应用条件，用以放置超声探头，发射和接收超声波；采用超声脉冲发生/接收器发生超声波，同时接收超声反射波信号；采用示波器及上位机记录超声反射波信号，并计算得到压接型功率半导体器件接触面动态接触压强。本发明可以实现压接型功率半导体器件内部动态接触压强变化的精确测量，并具有非侵入式测量的优点。

Description

非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测方法及系统

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测方法及系统。

背景技术

压接型功率半导体器件具有双面散热、失效短路及易大规模芯片并联等优点，目前已经被广泛应用于柔性直流输电、电力机车等高压大功率应用场合。压接型功率半导体器件通过外部压力来保持芯片与电极之间的电气连接，由于接触面微观上的凹凸不平，器件中存在受压力影响的接触电阻和接触热阻，进而导致会器件内部电热分布受压力分布的影响。然而由于器件中各组件加工过程中的工差及夹具加压的不平衡，会引起器件内部各芯片接触压强不均，进而导致器件工作过程中的电热应力分布不均。加之器件在运行工作条件下，由于内部各组件材料的热膨胀效应，器件内部的接触压强分布不均现象会进一步加剧，严重时会损坏半导体芯片。因此，针对压接型封装功率半导体器件，准确测量工作条件下器件动态接触压强尤为重要。

现有压接型功率半导体器件接触压强测量方法主要有压力传感器法和压力纸测量法，但这两种方法具有如下缺陷：

1)外置压力传感器法：由于压力传感器通常安装在夹具上，因此该方法仅能测得器件外部的平均压力变化，无法监测器件内部的接触压强变化。

2)内置分布式压力传感器法：例如申请号为201920369339.7的专利“一种压接型功率半导体器件内部压力分布测量系统”公开了：多个微型压力传感器置于器件内部，测量器件内部压力分布，然而由于需要在内部放置传感器，将改变器件内部的封装结构及电流、热流的流通路径；此外，传感器在器件工作条件下，易受高温的影响，在器件可靠性测试过程中，此方法难免会存在较大的测量误差。

3)压力纸测量法：该方法需要打开器件封装后，将压力纸放置于器件内部，由于压力纸是绝缘的，该方法仅能对只施加压力不施加电流条件下器件内部的接触压强进行测量，难以应用于工作条件下的压接型功率半导体动态接触压强的监测。

基于上述缺陷，亟需一种能够准确且实时动态监测压接型功率半导体器件接触压强的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测方法及系统，用于准确监测工作条件下压接型功率半导体器件内部动态接触压强。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测系统，包括：超声弹性探头测试板和压强监测系统；所述超声弹性探头测试板包括：超声探头2、金属垫块3、弹簧4和承重金属板5；

所述超声探头2用于发射接收超声波；所述金属垫块3和弹簧4用于施加超声探头与器件之间的接触力，保证超声探头2与器件的紧密耦合；所述承重金属板5用于承受夹具压力，同时在工作条件下提供电流和热流的流通路径；

所述压强监测系统与超声探头2连接，用于发生超声波，同时接收并处理超声发射波信号，从而计算出器件内部接触压强。

进一步，所述压强监测系统包括：超声脉冲发生/接收器6、示波器7及上位机8；所述超声脉冲发生/接收器6用于发生超声波，同时接收超声反射波信号；所述示波器7及上位机8用于记录超声反射波信号，处理超射波数据，计算器件内部接触压强。

进一步，所述超声弹性探头测试板放置在器件的发射极或集电极一侧，保证超声探头2中心与器件接触面中心重合；即超声弹性探头测试板可放置在器件的底部或者顶部，超声波入射方向垂直器件接触面。

进一步，该系统采用超声波反射系数法，对工作条件下的压接型功率半导体器件内部动态接触压强进行监测。

进一步，该系统对工作条件下的压接型功率半导体器件内部动态接触压强进行监测的方法具体包括以下步骤：

S1：在器件未施加压力时，测量器件接触面超声波反射波幅值，即接触面入射波幅值A_i；

S2：测量器件在不同压力下的接触面超声反射波幅值A_f，根据公式R＝A_f/A_i计算不同压力下的压接型功率半导体器件接触面超声反射系数；

S3：根据步骤S2的测量结果拟合得到压接型功率半导体器件反射系数-接触压强关系曲线P＝f(R)，其中，反射系数-接触压强关系通过接触面超声反射系数的理论推导得到；

S4：测量器件在工作条件下的接触面超声反射波幅值A_f，根据步骤S3得到的反射系数-接触压强关系曲线，监测器件工作条件下的动态接触压强。

本发明的有益效果在于：

1)本发明采用超声波反射系数法进行压接型功率半导体器件内部接触压强测量，由于超声波探头放置于器件外部，测量过程中不需要打开封装，改变器件内部封装结构，因此具有非侵入式的优点，克服了传统方法需要打开封装且有破坏性的缺点。

2)本发明中的弹性超声探头测试板可以在发生和接收超声波的同时，导通电流和热流，从而实现工作条件下压接型功率半导体器件内部接触压强的动态监测，突破了现有的测量方法需要改变器件封装结果及离线测量的局限性，并能保证测量的精确度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为压接型功率半导体器件接触压强监测系统示意图；

图2为压接型IGBT器件结构示意图；

图3为压接型IGBT器件动态接触压强监测流程图；

图4为压接型IGBT器件接触面超声反射系数与接触压强关系曲线图；

图5为压接型IGBT器件接触面动态接触压强监测结果；

附图标记：1为压接型IGBT器件，2为超声探头，3为金属垫块，4为弹簧，5为承重金属板，6为超声脉冲发生/接收器，7为示波器，8为上位机，9为集电极铜板，10为集电极钼片，11为IGBT芯片，12为发射极钼片，13为银垫片，14为发射极底座，15为发射极铜板，16为栅极弹簧顶针，17为超声波入射波，18为超声波反射波。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，本实施例以压接型IGBT单芯片子模组为例，对本发明的实施方案进行详细的描述。

压接型IGBT单芯片子模组结构如图2所示，器件中共包含5个接触面，由于超声波在固体中传播时能量时不断衰减的，因此在距离探头最近的一个接触面测得的超声波反射波幅值最大，因此在本实施例中选择压接型IGBT器件发射极底座与银垫片的接触面的接触压强进行监测，如图2所示，超声波从压接型IGBT器件底部入射，在到达发射极底座与银垫片的接触面时发生反射。

建立图1所示的压接型半导体器件状态监测系统，主要包括压接型IGBT器件1、超声探头2、金属垫块3、弹簧4、承重金属板5、超声脉冲发生/接收器6、示波器7及上位机8；其中，金属垫块3采用金属弹簧垫块，承重金属板5采用紫铜板。

根据图3所示的压接型功率半导体器件动态接触压强监测方法，在器件未施加压力时，测量器件接触面超声波反射波幅值，即接触面入射波幅值A_i。通过夹具改变器件上施加的夹具压力，并测量器件在不同压力下的接触面超声反射波幅值A_f，根据公式A_f/A_i计算不同压力下的压接型功率半导体器件接触面超声反射系数，进一步通过数据拟合得到压接型IGBT器件反射系数-接触压强关系曲线P＝f(R)，如图4所示。

通过压接型IGBT器件功率循环实验，验证本发明的有效性。夹具初始压力设定为1200N，设置功率循环周期为60s，器件导通时间为30s，关断时间为30s，器件导通电流为50A。在器件功率循环实验过程中，器件在工作条件下的接触面反射波幅值A_f，根据得到的反射系数-接触压强关系曲线，监测器件工作条件下的动态接触压强，如图5所示。由此可以看出，器件功率循环过程中的热膨胀变化，导致器件内部接触压强也随之变化，本发明可实现压接型功率半导体器件内部动态接触压强的监测。

本发明所提出的非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测方法及系统可以实现工作条件下器件内部接触压强的动态监测，可用于弹性、刚性、烧结型等需要外部压力保持各组件间电气连接的功率半导体器件，可根据器件的封装结构、芯片数目、不同的应用场合进行对本发明中的弹性超声探头测试板及接触压强监测系统进行拓展，以达到所需目的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测系统，其特征在于，该系统包括：超声弹性探头测试板和压强监测系统；所述超声弹性探头测试板包括：超声探头(2)、金属垫块(3)、弹簧(4)和承重金属板(5)；

所述超声探头(2)用于发射接收超声波；所述金属垫块(3)和弹簧(4)用于施加超声探头与器件之间的接触力，保证超声探头(2)与器件的紧密耦合；所述承重金属板(5)用于承受夹具压力，同时在工作条件下提供电流和热流的流通路径；

所述压强监测系统与超声探头(2)连接，用于发生超声波，同时接收并处理超声发射波信号，从而计算出器件内部接触压强。

2.根据权利要求1所述的非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测系统，其特征在于，所述压强监测系统包括：超声脉冲发生/接收器(6)、示波器(7)及上位机(8)；所述超声脉冲发生/接收器(6)用于发生超声波，同时接收超声反射波信号；所述示波器(7)及上位机(8)用于记录超声反射波信号，处理超射波数据，计算器件内部接触压强。

3.根据权利要求1所述的非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测系统，其特征在于，所述超声弹性探头测试板放置在器件的发射极或集电极一侧，保证超声探头(2)中心与器件接触面中心重合。

4.根据权利要求1所述的非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测系统，其特征在于，该系统采用超声波反射系数法，对工作条件下的压接型功率半导体器件内部动态接触压强进行监测。

5.根据权利要求4所述的非侵入式压接型功率半导体器件接触压强监测系统，其特征在于，该系统对工作条件下的压接型功率半导体器件内部动态接触压强进行监测的方法具体包括以下步骤：

S1：在器件未施加压力时，测量器件接触面超声波反射波幅值，即接触面入射波幅值A_i；

S2：测量器件在不同压力下的接触面超声反射波幅值A_f，根据公式R＝A_f/A_i计算不同压力下的压接型功率半导体器件接触面超声反射系数；

S3：根据步骤S2的测量结果拟合得到压接型功率半导体器件反射系数-接触压强关系曲线P＝f(R)，其中，反射系数-接触压强关系通过接触面超声反射系数的理论推导得到；

S4：测量器件在工作条件下的接触面超声反射波幅值A_f，根据步骤S3得到的反射系数-接触压强关系曲线，监测器件工作条件下的动态接触压强。

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