一種功率半導體晶片測試單元及其測試方法與流程

2023-07-03 01:58:51

本發明涉及電力半導體器件封裝測試技術領域，具體涉及一種功率半導體晶片測試單元及其測試方法。

背景技術：

壓接型大功率半導體器件，如壓接型IGBT器件(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，具有功率密度大、雙面散熱、易於串聯以及可靠性高等優點，並己逐步應用於電力系統的高壓直流輸電、電力機車等高電壓、大功率應用場合。隨著智能電網的發展，尤其是未來全球能源網際網路的構建，壓接型大功率半導體器件在電網中的需求量將會越來越大，這也對壓接型大功率半導體器件的性能和可靠性提出了嚴格地要求。

壓接型大功率半導體器件一般通過器件間的串聯來提高工作電壓、通過器件內部多晶片並聯來提高單個器件的電流。圖1為壓接型大功率半導體器件的內部截面示意圖，如圖所示，壓接型大功率半導體器件包括多個並聯的子模組，各子模組分別由集電極側鉬片21、半導體晶片22、發射極側鉬片23、銀墊片24直接接觸組成，通過外部施加壓力使各子模組的各構件之間保持良好地電氣與機械接觸。當測試壓接型大功率半導體器件的半導體晶片22的性能，尤其是測試單個半導體晶片22的性能時，子模組中各個構件之間存在與壓力、溫度等因素有關的接觸熱阻和接觸電阻會對測試結果產生一定的影響。同時，子模組的封裝管殼一般採用冷壓焊的方法密封，對大量半導體晶片22進行性能測試時，必須破壞封裝管殼逐個測試，測試步驟複雜、工作量大，不利於對大批量壓接型大功率半導體器件進行性能串聯。

技術實現要素：

為了克服現有技術的缺陷，本發明提供了一種功率半導體晶片測試單元及其測試方法。

第一方面，本發明中一種功率半導體晶片測試單元的技術方案是：

所述測試單元包括集電極(1)、被測晶片子模組(2)、PCB板(3)、固定框架(4)和發射極(5)；

所述集電極(1)和發射極(5)的外部側壁上分別設置有集電極限位凹槽(11)和發射極限位凹槽(51)，所述固定框架(4)的內部側壁上設置有限位凸臺(42)；

所述集電極(1)、被測晶片子模組(2)、PCB板(3)和發射極(5)順次疊放在所述固定框架(4)內，且所述限位凸臺(42)嵌入在所述集電極限位凹槽(11)和發射極限位凹槽(51)內。

進一步地，本方面提供一個優選技術方案為：所述測試單元還包括散熱器；所述散熱器分別固定在所述集電極(1)的上表面和所述發射極(5)的下表面；

所述集電極(1)的上表面設置有集電極定位凹槽(12)，用於嵌入所述散熱器的定位銷；

所述發射極(5)的下表面設置有發射極定位凹槽(52)，用於嵌入所述散熱器的定位銷。

進一步地，本方面提供一個優選技術方案為：所述被測晶片子模組(2)包括集電極側鉬片(21)、功率半導體晶片(22)、發射極側鉬片(23)、墊片(24)和塑料框架(25)；

所述集電極側鉬片(21)、功率半導體晶片(22)、發射極側鉬片(23)和墊片(24)順次疊放在所述塑料框架(25)內；

所述集電極側鉬片(21)與所述集電極(1)直接接觸，所述墊片(24)與所述發射極(5)直接接觸。

進一步地，本方面提供一個優選技術方案為：所述被測晶片子模組(2)還包括彈簧引針(26)；

所述塑料框架(25)包括一個彈簧引針通道(27)；所述彈簧引針(26)設置在彈簧引針通道(27)內，彈簧引針(26)的一端與所述功率半導體晶片(22)的門極直接接觸，另一端與所述PCB板(3)直接接觸。

進一步地，本方面提供一個優選技術方案為：所述PCB板(3)上焊接有一個引線端子(31)，所述固定框架(4)的側壁上還設置有預留窗口(41)；

所述引線端子(31)與所述預留窗口(41)相對應，所述被測晶片子模組(2)的驅動信號線通過所述預留窗口(41)與所述引線端子(31)連接。

進一步地，本方面提供一個優選技術方案為：

所述固定框架(4)為環氧樹脂框架。

第二方面，本發明中一種功率半導體晶片測試單元的測試方法的技術方案是：

所述測試單元包括集電極(1)、被測晶片子模組(2)、PCB板(3)、固定框架(4)、發射極(5)和散熱器；

所述集電極(1)和發射極(5)的外部側壁上分別設置有集電極限位凹槽(11)和發射極限位凹槽(51)，所述固定框架(4)的內部側壁上設置有限位凸臺(42)；所述被測晶片子模組(2)包括順次疊放在塑料框架(25)內的集電極側鉬片(21)、發射極側鉬片(23)和墊片(24)；所述散熱器分別固定在所述集電極(1)的上表面和所述發射極(5)的下表面；

所述測試方法包括：

依據被測功率半導體晶片的測試項目確定其集電極電流、測試壓力和驅動信號；

將所述被測功率半導體晶片放置在集電極側鉬片(21)和發射極側鉬片(23)之間；

將所述集電極(1)、被測晶片子模組(2)、PCB板(3)和發射極(5)順次疊放在所述固定框架(4)內，且所述限位凸臺(42)嵌入在所述集電極限位凹槽(11)和發射極限位凹槽(51)內；

通過集電極(1)和發射極(5)兩端的散熱器向被測半導體晶片施加所述集電極電流對應的測試電流和所述測試壓力；通過所述PCB板(3)向所述功率半導體晶片的門極發送驅動信號。

與最接近的現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、本發明提供的一種功率半導體晶片測試單元，通過設置集電極限位凹槽11、發射極限位凹槽51和限位凸臺42，可以固定集電極1、被測晶片子模組2、PCB板3和發射極5，限制測試單元內各部件的縱向位移而只存在軸向位移，不僅利於對被測晶片子模組2進行隨時拆卸和壓力加載，還能保證在多次測試過程測試單元內各部件的位置相對固定；

2、一種功率半導體晶片測試單元的測試方法，通過固定框架4和塑料框架15對被測晶片子模組2進行固定，可以保證在測試過程中被測功率半導體晶片的接觸界面的接觸熱阻和接觸電阻不發生改變，降低對測試結果的影響，同時通過散熱器向測試單元施加壓力可以測試被測功率半導體晶片在不同壓力條件下的電氣特性和可靠性。

附圖說明

圖1：壓接型大功率半導體器件的內部截面示意圖；

圖2：本發明實施例中一種功率半導體晶片測試單元的爆炸視圖；

圖3：本發明實施例中一種功率半導體晶片測試單元的剖視圖；

圖4：本發明實施例中半導體晶片子模組的爆炸視圖；

圖5：本發明實施例中半導體晶片子模組斷面視圖；

其中，1：集電極；11：集電極限位凹槽；12：集電極定位凹槽；2：半導體晶片子模組；21：集電極側鉬片；22：功率半導體晶片；23：發射極側鉬片；24：銀墊片；25：塑料框架；26：彈簧引針；27：彈簧引針通道；3：PCB板；31：PCB板外部插口；4：固定框架；41：固定框架預留窗口；42：限位凸臺；5：發射極；51：發射極限位凹槽；52：發射極定位凹槽；6：基座。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地說明，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

下面結合附圖，對本發明實施例提供的一種功率半導體晶片測試單元進行說明。

圖2為本發明實施例中一種功率半導體晶片測試單元的爆炸視圖，圖3為本發明實施例中一種功率半導體晶片測試單元的剖視圖，如圖所示，本實施例中功率半導體晶片測試單元包括集電極1、被測晶片子模組2、PCB板3、固定框架4和發射極5。其中，

集電極1的外部側壁上設置有集電極限位凹槽11。

發射極5的外部側壁上設置有發射極限位凹槽51。

固定框架4的內部側壁上設置有限位凸臺42，本實施例中固定框架4可以採用環氧樹脂框架。

集電極1、被測晶片子模組2、PCB板3和發射極5順次疊放在固定框架4內，且限位凸臺42嵌入在集電極限位凹槽11和發射極限位凹槽51內。

本實施例中通過設置集電極限位凹槽11、發射極限位凹槽51和限位凸臺42，可以固定集電極1、被測晶片子模組2、PCB板3和發射極5，限制測試單元內各部件的縱向位移而只存在軸向位移，不僅利於對被測晶片子模組2進行隨時拆卸和壓力加載，還能保證在多次測試過程測試單元內各部件的位置相對固定。

進一步地，本實施例中測試單元還可以包括下述結構。

本實施例中測試單元還包括散熱器，散熱器分別固定在集電極1的上表面和發射極5的下表面。其中，

集電極1的上表面設置有集電極定位凹槽12，用於嵌入散熱器的定位銷，從而固定散熱器。發射極5的下表面設置有發射極定位凹槽52，用於嵌入散熱器的定位銷，從而固定散熱器。

本實施例中散熱器可以對被測晶片子模組2進行散熱，還可以向其發射極傳輸電流，向其集電極傳輸電流和壓力。同時，通過控制散熱器內冷卻液的流通可以實現對被測晶片子模組2進行單面散熱和雙面散熱，從而滿足對被測半導體功率晶片的所有測試要求。本實施例中對被測半導體功率晶片的測試主要包括靜態測試、動態測試、壓力測試和可靠性測試，其中可靠性測試主要包括功率循環測試、溫度循環測試、高溫柵偏測試、高溫反偏測試和熱阻測試等，本實施例中所有測試均可採用常規測試方法。

進一步地，本實施例中被測晶片子模組可以包括下述結構。

圖4為本發明實施例中半導體晶片子模組的爆炸視圖，圖5為本發明實施例中半導體晶片子模組斷面視圖，本實施例中被測晶片子模組2包括集電極側鉬片21、功率半導體晶片22、發射極側鉬片23、墊片24、塑料框架25和彈簧引針26。其中，

集電極側鉬片21、功率半導體晶片22、發射極側鉬片23和墊片24順次疊放在塑料框架25內，集電極側鉬片21與集電極1直接接觸，墊片24與發射極5直接接觸。

塑料框架25包括一個彈簧引針通道27，彈簧引針26設置在彈簧引針通道27內，彈簧引針26的一端與功率半導體晶片22的門極直接接觸，另一端與PCB板3直接接觸。本實施例中彈簧引針26用於傳輸被測功率半導體晶片的驅動信號，同時彈簧引針26可以發生一定的形變以保證被測功率半導體晶片的門極與PCB板3之間具有良好的接觸。

本實施例中將集電極側鉬片21、功率半導體晶片22、發射極側鉬片23和墊片24疊放在塑料框架25內，塑料框架25在起到支撐作用的同時，還可以使得在測試過程中被測晶片子模組2內各組件位置相對固定，避免被測功率半導體晶片受到外部損壞和汙染，並具有可替換性提高了被測晶片子模組2的利用率、降低了加工成本。

進一步地，本實施例中PCB板還包括下述結構。

本實施例中PCB板3用於接收被測功率半導體晶片的驅動信號，並對其進行數據轉換後將驅動信號通過彈簧引針26傳輸至被測功率半導體晶片的門極。

PCB板3的上表面為銅層，下表面為絕緣層以隔離驅動信號和外部電流。同時PCB板3上還焊接有一個引線端子31，固定框架4的側壁上還設置有預留窗口41。引線端子31與預留窗口41相對應，被測晶片子模組2的驅動信號線通過預留窗口41與引線端子31連接。

下面對本發明實施例提供的一種功率半導體晶片測試單元的測試方法進行說明。

本實施例中測試單元的結構如圖1和2所示，包括集電極1、被測晶片子模組2、PCB板3、固定框架4、發射極5和散熱器。其中，

集電極1的外部側壁上設置有集電極限位凹槽11，發射極5的外部側壁上設置有發射極限位凹槽51，固定框架4的內部側壁上設置有限位凸臺42。被測晶片子模組2包括順次疊放在塑料框架25內的集電極側鉬片21、發射極側鉬片23和墊片24。散熱器分別固定在集電極1的上表面和發射極5的下表面。

本實施例中功率半導體晶片測試單元的測試方法可以按照下述步驟實施。

步驟S101：依據被測功率半導體晶片的測試項目確定其集電極電流、測試壓力和驅動信號。本實施例中測試項目主要包括靜態測試、動態測試、壓力測試和可靠性測試，其中可靠性測試主要包括功率循環測試、溫度循環測試、高溫柵偏測試、高溫反偏測試和熱阻測試等，本實施例中所有測試項目的測試方法均可採用常規測試方法。

步驟S102：將被測功率半導體晶片放置在集電極側鉬片21和發射極側鉬片23之間。

步驟S103：將集電極1、被測晶片子模組2、PCB板3和發射極5順次疊放在固定框架4內，且限位凸臺42嵌入在集電極限位凹槽11和發射極限位凹槽51內。

步驟S104：通過集電極(1)和發射極(5)兩端的散熱器向被測半導體晶片施加所述集電極電流對應的測試電流和測試壓力；通過所述PCB板(3)向所述功率半導體晶片的門極發送驅動信號。

本實施例中通過固定框架4和塑料框架15對被測晶片子模組2進行固定，可以保證在測試過程中被測功率半導體晶片的接觸界面的接觸熱阻和接觸電阻不發生改變，降低對測試結果的影響，同時通過散熱器向測試單元施加壓力可以測試被測功率半導體晶片在不同壓力條件下的電氣特性和可靠性。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。