CN114062885B - 一种半导体器件热分布的测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件热分布的测试装置,包括:外部测试回路、压接组件和红外热像仪;所述外部测试回路与压接组件电性连接;所述红外热像仪通过支架设置在压接组件上方;所述外部测试回路,用于进行阻断耐压测试、浪涌测试和关断瞬态测试;所述压接组件,用于为半导体器件提供压力,使半导体器件与外部测试回路电性连接;所述红外热像仪,用于观测半导体器件内部的红外信息。本发明的测试装置为非接触式测量。在阻断耐压、浪涌的工况下,该测试装置可用于半导体器件的筛选以及故障原因分析。对于瞬态的半导体器件开关过程,该测试装置可以反映半导体器件内部电流的瞬态过程,可以用于研究半导体器件的内部物理过程和物理机理。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件测试技术领域,特别涉及一种半导体器件热分布的测试装置。
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以及电流开断技术得到深入研究和应用。作为核心元件,大功率压接式半导体在工作时的热分布情况对于其性能有重要的影响作用。在阻断耐压的工况下,器件承受母线电压,存在漏电流。漏电流可能因为边缘的耐压结构损坏而增大,也可能因为器件的纵向掺杂结构未达标而增大。通过热点观测漏电流存在的位置在边缘还是内部,对判断器件漏电流产生的原因有重要的帮助。在浪涌的工况下,热点的位置即为浪涌中电流集中的区域。通过观测热分布能够定位器件的薄弱点。对于瞬态的器件开关过程,热分布可以反映器件内部并联元胞或并联芯片的电流瞬态过程,可以用于研究器件的内部物理过程和物理机理。然而,功率半导体器件的管壳为密闭的封装,难以观测内部的热分布情况,对研究器件的阻断、浪涌和关断过程带来了较大的阻碍。
发明内容
针对上述问题,本发明公开了一种半导体器件热分布的测试装置,包括:外部测试回路、压接组件和红外热像仪;
所述外部测试回路与压接组件电性连接;
所述红外热像仪通过支架设置在压接组件上方;
所述外部测试回路,用于进行阻断耐压测试、浪涌测试和关断瞬态测试;
所述压接组件,用于为半导体器件提供压力,使半导体器件与外部测试回路电性连接;
所述红外热像仪,用于观测半导体器件内部的红外信息。
更进一步地,所述外部测试回路包括阻断耐压测试单元、浪涌测试单元和关断瞬态测试单元;
所述阻断耐压测试单元,用于进行阻断耐压测试;
所述浪涌测试单元,用于进行浪涌测试;
所述关断瞬态测试单元,用于进行关断瞬态测试。
更进一步地,所述关断瞬态测试单元包括母线电容VDC、钳位电阻Rs、钳位电感Li、钳位二极管D1、钳位电容CCL、杂散电感L、续流二极管D2和负载电感Lload;
所述母线电容VDC一端同时与钳位电阻Rs一端和钳位电感Li一端电性连接;
所述钳位电感Li另一端同时与钳位二极管D1一端和杂散电感L一端电性连接;
所述钳位二极管D1另一端同时与钳位电阻Rs另一端和钳位电容CCL一端电性连接;
所述钳位电容CCL另一端同时与母线电容VDC另一端和续流二极管D2一端电性连接;
所述续流二极管D2两端与负载电感Lload两端连接;
母线电容VDC,用于提供测试电压;
负载电感Lload,用于导通时电流流通;
续流二极管D2,用于被测半导体器件关断时和负载电感Lload构成续流回路。
更进一步地,所述压接组件包括均压块和锥形均压单元;
所述均压块设置于锥形均压单元上方,且与锥形均压单元抵接;
所述均压块,用于为半导体器件提供均匀的压力;
所述锥形均压单元,用于为半导体器件提供均匀的压力。
更进一步地,所述压接组件还包括第一压板;
所述第一压板设置于均压块正上方,且与均压块平行;
所述第一压板,用于为半导体器件提供压力。
更进一步地,所述压接组件还包括第二压板;
所述第二压板设置于锥形均压单元下方,且与锥形均压单元抵接;
所述第二压板,用于为半导体器件提供压力。
更进一步地,所述第一压板与第二压板通过螺栓连接。
更进一步地,所述第一压板与外部测试回路一端电性连接。
更进一步地,所述第二压板与外部测试回路另一端电性连接。
更进一步地,所述第一压板中心处设置有观测窗。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明的测试装置为非接触式测量,不会改变测量点的温度,而且可以得到一片区域的热分布情况。在阻断耐压、浪涌的工况下,该测试装置可用于半导体器件的筛选以及故障原因分析。对于瞬态的半导体器件开关过程,该测试装置可以反映半导体器件内部电流的瞬态过程,可以用于研究半导体器件的内部物理过程和物理机理。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图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示出了根据本发明实施例的测试装置的结构示意图;
图2示出了根据本发明实施例的关断瞬态测试单元的电路图;
图3示出了根据本发明实施例的半导体器件管壳的结构示意图;
图4示出了根据本发明实施例的第一压板的结构示意图。
附图标记:1、外部测试回路;2、压接组件;21、第一压板;22、均压块;23、锥形均压单元;24、第二压板;25、观测窗;3、红外热像仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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、完整地说明,显然,所描述的实施例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。
图1示出了根据本发明实施例的测试装置的结构示意图。如图1所示,本发明提出的一种半导体器件热分布的测试装置,包括:外部测试回路1、压接组件2和红外热像仪3;
所述外部测试回路1与压接组件2电性连接;
所述压接组件2上方设置有红外热像仪3;
所述外部测试回路1,用于进行阻断耐压测试、浪涌测试和关断瞬态测试,提供阻断耐压测试、浪涌测试和关断瞬态测试所需的电压和电流;
所述压接组件2,用于为半导体器件提供压力,使半导体器件与外部测试回路(1)电性连接;
所述红外热像仪3,用于观测半导体器件内部的红外信息。
外部测试回路1包括阻断耐压测试单元、浪涌测试单元和关断瞬态测试单元;
所述阻断耐压测试单元,用于进行阻断耐压测试;
具体地,阻断耐压测试单元包括直流可调电压源和电流表;直流可调电压源和电流表电性连接;
直流可调电压源,用于提供半导体器件的阻断电压;
电流表,用于测试半导体器件的漏电流;
所述浪涌测试单元,用于进行浪涌测试;
具体地,浪涌测试单元包括母线电容、浪涌电阻和浪涌电感;母线电容、浪涌电阻和浪涌电感依次串联连接;
母线电容,用于储存能量,测试时向浪涌电阻、浪涌电感和被测半导体器件放电,母线电容和浪涌电感形成振荡电路,单向导电的被测半导体器件会阻止振荡的负半周,形成正弦半波脉冲;
所述关断瞬态测试单元,用于进行关断瞬态测试;
如图2所示,关断瞬态测试单元包括母线电容VDC、钳位电阻Rs、钳位电感Li、钳位二极管D1、钳位电容CCL、杂散电感L、续流二极管D2和负载电感Lload;
所述母线电容VDC一端同时与钳位电阻Rs一端和钳位电感Li一端电性连接;
所述钳位电感Li另一端同时与钳位二极管D1一端和杂散电感L一端电性连接;
所述钳位二极管D1另一端同时与钳位电阻Rs另一端和钳位电容CCL一端电性连接;
所述钳位电容CCL另一端同时与母线电容VDC另一端和续流二极管D2一端电性连接;
所述续流二极管D2两端与负载电感Lload两端连接;
母线电容VDC,用于提供测试电压;
负载电感Lload,用于导通时电流流通;
续流二极管D2,用于被测半导体器件关断时和负载电感Lload构成续流回路。
外部测试回路1可以灵活更换,能够进行阻断耐压测试、浪涌测试和关断瞬态测试。
阻断耐压测试:外部测试回路1给阀串两端并上可控的电压源,升高电压到被测半导体器件的阻断电压,通过红外热像仪3观测被测半导体器件的热点的分布,以此可以快速找到漏电流较大的薄弱点。阀串包括半导体器件和压接组件2,即半导体器件置于压接组件2中。
浪涌测试:外部测试回路1给被测半导体器件施加正弦半波,正弦半波的底宽分别为3ms,10ms,30ms,进而通过红外热像仪3观测被测半导体器件的热点的分布,从而可以快速找到导通状态下电流比较集中的薄弱点。
关断瞬态测试:用外部测试回路1对IGCT器件进行关断瞬态测试,并在关断的瞬态用高速红外热像仪3进行记录。由于IGCT器件内载流子的复合过程会产生波长为1um左右的光子,该波长在红外热像仪3所能记录的波长范围内,因此可以观测到半导体器件体内的载流子复合过程,可以用于研究半导体器件内部的物理机理。
压接组件2包括第一压板21、均压块22、锥形均压单元23、第二压板24和观测窗25;
所述第一压板21设置于均压块22正上方,且与均压块22平行;第一压板21为长方形,四角处设置有通孔,中心处设置有观测窗25;优选地,第一压板21为长方形钢板;
均压块22设置于锥形均压单元23上方,所述均压块22与锥形均压单元23通过定位销定位,压接组件2四角处的螺栓和螺母紧固后提供压力,使均压块22与锥形均压单元23抵接;均压块22为圆柱状,第一表面和第二表面均设置有定位孔和定位销;锥形均压单元23为锥形,第一表面设置有定位孔和定位销;均压块22和锥形均压单元23上的定位孔和定位销相互配合,保证均压块22、锥形均压单元23和半导体器件共圆心;
所述第二压板24设置于锥形均压单元23下方,且与锥形均压单元23抵接;第二压板24为长方形,四角处设置有通孔,中心处设置有与锥形均压单元23匹配的球形槽;
所述第一压板21与第二压板24通过螺栓连接;
所述第一压板21,用于为半导体器件提供压力;
所述均压块22,用于为半导体器件提供均匀的压力;
所述锥形均压单元23,用于为半导体器件提供均匀的压力;
所述第二压板24,用于为半导体器件提供压力。
所述第一压板21与外部测试回路1一端电性连接,所述第二压板24与外部测试回路1另一端电性连接。
红外热像仪3通过支架设置在压接组件2正上方,镜头对准阀串。优选地,红外热像仪3的最小曝光时间为小于1μs,能够观测到半导体器件1μs左右的瞬态开通关断过程,能够准确的分析半导体器件的热分布情况。
图3示出了根据本发明实施例的半导体器件管壳的结构示意图。如图3所示,被测半导体器件的管壳为特殊定制的机构,设置有观测孔,观测孔呈环形阵列,红外热像仪3透过观测孔可以观测到半导体器件内部的热分布情况。优选地,观测孔的取值范围为1mm-3mm。
被测半导体器件在打孔时,需要避开半导体器件的门极引出结构,确定观测孔的分布如图3所示。由于设置的观测孔的尺寸很小,几乎不会对半导体器件的热阻和换流电感等参数造成影响,热分布测试引入的干扰很小。被测半导体器件可以为阻断耐压、浪涌以及开通关断状态下的半导体器件,包括压接式IEGT(注入增强门极晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)以及IGCT(集成门极换流晶闸管)等半导体器件。
图4示出了根据本发明实施例的第一压板的结构示意图。综合考虑观测的效果和阀串的压力均匀性,设计观测窗25的结构如图4所示。第一压板21中心处设置有多个观测窗25,多个位于内圈的观测窗25呈圆形,多个位于外圈的观测窗25呈圆环形,圆形与圆环形的圆心相同。观测窗25与设置在半导体器件管壳表面的观测孔相对应,用于观测半导体器件内部的红外信息。
为减少反光干扰,第一压板21表面做了喷砂处理,增加表面粗糙度。
如图1所示,测试时,将被测的半导体器件放于第一压板21和均压块22间,通过定位销定位,紧固设置在第一压板21和第二压板24四角处的螺栓,从而使半导体器件与第一压板21和均压块22抵接,形成通路;打开红外热像仪3和外部测试回路1,根据测试需求,选择不同的测试单元,对半导体器件进行测试。
本发明中提出的半导体器件热分布的测试装置为非接触式测量,不会改变测量点的温度,而且可以得到一片区域的热分布情况。在阻断耐压、浪涌的工况下,该测试装置可用于半导体器件的筛选以及故障原因分析。对于瞬态的半导体器件开关过程,该测试装置可以反映半导体器件内部电流的瞬态过程,可以用于研究半导体器件的内部物理过程和物理机理。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种半导体器件热分布的测试装置,其特征在于,包括:外部测试回路(1)、压接组件(2)和红外热像仪(3);
所述外部测试回路(1)与压接组件(2)电性连接;
所述红外热像仪(3)通过支架设置在压接组件(2)上方;其中,所述压接组件(2)包括:第一压板(21)、均压块(22)、锥形均压单元(23)和第二压板(24);
所述第一压板(21)设置于均压块(22)正上方,且与均压块(22)平行;所述第一压板(21)与外部测试回路(1)一端电性连接;
所述均压块(22)设置于锥形均压单元(23)上方,且与锥形均压单元(23)抵接;
所述第二压板(24)设置于锥形均压单元(23)下方,且与锥形均压单元(23)抵接;所述第二压板(24)与外部测试回路(1)另一端电性连接;
所述第一压板(21)与第二压板(24)通过螺栓连接;
所述第一压板(21)中心处设置有观测窗(25),多个位于内圈的观测窗(25)呈圆形,多个位于外圈的观测窗(25)呈圆环形,圆形与圆环形的圆心相同;
所述外部测试回路(1),用于进行阻断耐压测试、浪涌测试和关断瞬态测试;
所述外部测试回路(1)包括关断瞬态测试单元、阻断耐压测试单元和浪涌测试单元;
所述关断瞬态测试单元包括母线电容VDC、钳位电阻Rs、钳位电感Li、钳位二极管D1、钳位电容CCL、杂散电感L、续流二极管D2和负载电感Lload;
所述母线电容VDC一端同时与钳位电阻Rs一端和钳位电感Li一端电性连接;
所述钳位电感Li另一端同时与钳位二极管D1一端和杂散电感L一端电性连接;
所述钳位二极管D1另一端同时与钳位电阻Rs另一端和钳位电容CCL一端电性连接;
所述钳位电容CCL另一端同时与母线电容VDC另一端和续流二极管D2一端电性连接;
所述续流二极管D2两端与负载电感Lload两端连接;
阻断耐压测试单元包括直流可调电压源和电流表;直流可调电压源和电流表电性连接;
浪涌测试单元包括母线电容、浪涌电阻和浪涌电感;母线电容、浪涌电阻和浪涌电感依次串联连接;
所述压接组件(2),用于为半导体器件提供压力,使半导体器件与外部测试回路(1)电性连接;
所述红外热像仪(3),其最小曝光时间小于1μs,用于观测半导体器件内部1μs左右的瞬态过程。
2.根据权利要求1所述的半导体器件热分布的测试装置,其特征在于,
所述阻断耐压测试单元,用于进行阻断耐压测试;
所述浪涌测试单元,用于进行浪涌测试;
所述关断瞬态测试单元,用于进行关断瞬态测试。
3.根据权利要求2所述的半导体器件热分布的测试装置,其特征在于,
母线电容VDC,用于提供测试电压;
负载电感Lload,用于导通时电流流通;
续流二极管D2,用于被测半导体器件关断时和负载电感Lload构成续流回路。
4.根据权利要求1所述的半导体器件热分布的测试装置,其特征在于,
所述均压块(22),用于为半导体器件提供均匀的压力;
所述锥形均压单元(23),用于为半导体器件提供均匀的压力。
5.根据权利要求4所述的半导体器件热分布的测试装置,其特征在于,
所述第一压板(21),用于为半导体器件提供压力。
6.根据权利要求5所述的半导体器件热分布的测试装置,其特征在于,
所述第二压板(24),用于为半导体器件提供压力。
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