壓接式功率器件靜態特性測試平臺的研制

摘要：壓接式功率器件是高壓大功率設備的核心部件，廣泛應用于電力系統、交通軌道等領域，其具有雙面散熱、雜散參數小、易于串聯等優勢。壓接式功率器件的動靜態性能是現階段研究的熱點，其中靜態特性受溫度與壓力的影響。現研制了一種壓接式功率器件靜態特性測試平臺，其可實現不同溫度與不同壓力下功率器件靜態特性的準確測量。針對該壓接式功率器件靜態特性測試平臺，以壓接式IGBT器件的靜態特性測試為例進行試驗，發現相同集電極下，壓力越大，飽和壓降越小;溫度越大，飽和壓降越大。該測試平臺的研制對于壓接式功率器件多物理量影響機理的研究以及可靠性評估具有重要意義。

關鍵詞：壓接式功率器件;靜態特性;溫度;壓力;輸出曲線

0 引言

大功率電力電子器件的封裝形式主要包括壓接式與焊接式。其中，壓接式功率器件具有雜散參數小、雙面散熱、易于串聯及短路失效等優勢，是高壓大容量設備的核心部件，現已成為支撐智能電網發展的基礎器件[1]。

半導體器件的靜態特性是半導體器件建模的基礎參數，是器件性能評估及可靠性研究的重要參考指標。其中，輸出特性所含信息豐富，是至關重要的靜態特性。輸出曲線的快速準確測量對于半導體器件廠商篩選產品以及用戶對器件盡限使用具有重要的意義。由于半導體器件內部的載流子濃度及壽命等受溫度的影響較大[2-3]，半導體器件的輸出特性與溫度密切相關。此外，壓接式半導體器件在使用過程中需要承受正向機械應力，壓阻效應的存在使得器件在不同機械壓力下的輸出特性也有差異[4-5]。因此，為實現真實應用工況下半導體器件輸出特性的準確測量，必須考慮器件的溫度及壓力狀態。

有學者考慮溫度或壓力的影響開展了半導體器件輸出特性測量方法的研究。2018年，重慶大學的Wei Lai等人利用溫箱測量了壓接式IGBT器件在不同溫度下的導通特性[6]。2020年，重慶大學的Zhenyu Deng等人使用加熱板測量了不同溫差下IGBT的通態均流情況，指出溫度會影響IGBT的輸出曲線，從而影響器件穩態階段的均流情況[7]。2010年，法國波爾多大學的Y. Belmehdi等人對IGBT晶圓切片，并利用四點彎曲法對晶圓施加切向機械應力，對IGBT晶圓的壓阻效應進行了研究[8]。2013年，他們又采用相同的方法對二極管晶圓切片并放入溫箱中，測量其輸出特性，進行切向機械應力及溫度對輸出特性曲線影響的研究[9]。

綜上所述，當考慮溫度及壓力對半導體器件輸出特性的影響時，雖然已經有研究涉及溫度或機械壓力對半導體器件輸出特性的影響，然而只能施加切向機械應力，無法反映實際應用中的正向機械應力對半導體器件輸出特性的影響，而且缺乏集溫度控制與壓力控制于一體的壓接式靜態特性測試設備。

本文首先闡述了靜態特性的測試原理;然后以壓接式IGBT器件為例提出了設計需求，并確定了合理的測試方案;最后，在不同的壓力與溫度下，測量了壓接式IGBT器件的靜態輸出特性，并對結果進行了機理分析。

1 測試原理

器件生產廠家一般給出兩種靜態特性曲線，即輸出曲線與轉移曲線。通常輸出曲線包含有源區、飽和區以及截止區的信息，而轉移曲線只對應器件的有源區，而且可以通過輸出曲線坐標變換得到轉移曲線關鍵點，所以本文主要關注輸出曲線的測試。

現有半導體器件靜態特性測量方法可以分為點測法和線測法兩種。點測法的原理是逐點測量不同電流下半導體器件的通態壓降，繪制出某一柵極電壓下的輸出特性曲線。點測法一般采用短電流脈沖測量不同工作點下的通態壓降，可以有效控制芯片自熱帶來的測量誤差，因此商用半導體器件靜態參數測試儀器一般采用點測法[10]。線測法一般將功率半導體器件的輸出特性測量嵌入到動態特性測量過程中，在雙脈沖試驗的負載電流建立過程或者負載電感續流過程中，利用線性變化的電流，測量其通路中串聯的被測半導體器件的通態壓降，繪制出半導體器件的輸出特性曲線[11]。線測法可以集成在動態特性測試平臺中，測試速度快，也更靈活，但由于測試過程中不可避免地引入溫度因素，因此測試準確性不高。與線測法相比，點測法采用短電流脈沖測量輸出特性曲線，有效屏蔽了器件熱效應的影響，測量結果更為準確。所以本文采用點測法進行靜態特性測試。

依據點測法的測試原理，建立如圖1所示的測試電路。在某一恒定的柵極電壓下，為DUT施加不同限幅的矩形脈沖，將測量得到的電壓信號VH-VL作為x軸，將測量得到的電流信號Ic作為y軸，就可以得到器件的一條靜態輸出曲線。在不同柵極電壓下進行測量，就可以得到完整的靜態輸出曲線圖。

為了實現靜態輸出曲線的連續測量，本文使用直流脈沖電源Vs與待測器件相連，直流脈沖電源可以提供幅值按照等差數列遞增的脈沖串，而且單個脈沖寬度和兩個脈沖之間的間隔均可調。在測量前，通過設置較短的脈沖寬度，并選取每個脈沖器件通態且時間靠前的測量數據，進行靜態輸出曲線的逐點繪制，即可減小發熱引起的測量誤差。

2 設計需求和設計方案

2.1 ? ?設計需求

壓接式IGBT器件的結構如圖2所示，包括集電極銅板、上鉬片、IGBT芯片、銀片、下鉬片、柵極頂針、PEEK框架、發射極凸臺、柵極PCB板等組件。器件的外部一般設置有母排，為器件提供電壓。通過在集電極銅板與發射極凸臺之間施加壓力，實現芯片與各極電路之間的電氣接觸以及熱接觸。

為了獲得電-熱-力綜合影響下壓接式功率器件的靜態特性，要求設計的靜態特性測試平臺具備靈活調控溫度、壓力與電氣量的能力，并且可以實現穩態階段電流與電壓的精確測量。

具體看來，壓力方面，要求盡量保證器件表面受力的均衡性，避免應力集中帶來的芯片與器件的損傷。溫度方面，要求保證器件加熱的均勻性，并且保證結溫測量的準確性。電壓測量方面，要求盡量靠近器件進行測量，減少雜散參數帶來的影響。電流測量方面，要求低頻寬幅值范圍的準確測量。

2.2 ? ?測試平臺設計方案

針對壓力均衡的要求，本文采用柱狀壓力機對壓接式器件施加壓力，其可實現壓力的精確調控。壓力機內部結構如圖3所示，壓力柱下端采用壓力球頭實現機械壓力的傳遞，可以將壓力施加件與壓力平行板的面接觸變為點接觸，降低了對壓力機的壓力柱加工的機械誤差或軸承誤差的要求。在靠近器件的壓力施加面上，采用壓力平行板將機械壓力傳遞給壓接式器件，平行板平面可以保證器件上承受正向機械壓力。

為了驗證壓力機的實際效果，通過富士壓力試紙測試了單芯片表面的壓力分布情況，結果如圖4所示，可見壓力基本均衡，滿足設計要求。

針對電壓準確測量的要求，在被測壓接式器件正負極兩端采用四端法進行電壓測量。如圖5所示，中間為被測器件，器件兩端為電壓測試母排，而電壓測試板之外為電壓施加母排。相比單板同時連接測量儀器與電源，四端法可以減小大電流流經測試回路引起的測量誤差，而且相比引線測量更加準確。差分電壓的測量有兩種方式，一種為兩個無源電壓探頭測量法，另一種為使用一個電壓差分探頭進行電壓的測量。前者的共模抑制比不能保證電壓的準確測量，所以選用電壓差分探頭進行通態電壓的測量。此外，霍爾電流鉗可以滿足低頻寬范圍電流的測量要求。

溫度方面，選擇常用的溫箱加熱法，實現壓接式器件各個部件的均勻加熱。

3 平臺研制與靜態特性測試結果

根據上述理論分析，本文建立了壓接式功率器件靜態特性測試平臺，其結構與實物如圖6、圖7所示。測量設備包括：測量Vce的差分電壓探頭（DP-30HS）、測量Ic的霍爾電流鉗（PT7402A）、接收電壓與電流波形信號的示波器（HDO4104A）。另外，驅動電壓由直流電源（PD9600D）提供，驅動電壓的測試范圍是0～30 V。集電極-發射極電壓由脈沖直流電源（WYG-12V400A）與信號控制器提供，可連接計算機進行遠程自動調控，從而實現階梯型電壓的輸出。集電極-發射極電壓輸出的范圍是0～12 V，溫箱的溫度范圍是-40～200 ℃，壓力機調節壓力的范圍是0～20 kN。

對IKW25N120H3型號的IGBT器件進行靜態測試，將其測試結果與數據手冊進行對比，結果如圖8所示，兩者基本重合，說明本文設計的測試平臺可以準確地測量器件的靜態特性。

對國產某型號3.3 kV/50 A的壓接式IGBT單芯片子模組進行不同壓力與不同溫度下的靜態特性測試，其結果如圖9、圖10所示。

由圖9可知，在同一溫度下，隨著壓力的增大，器件同一集電極電流對應的通態壓降逐漸減小。這是由于單一方向的壓力會使半導體內部能帶等勢面偏移或解耦，因此影響了半導體內部載流子的數量，使得半導體電阻發生變化，即壓阻效應。當集電極側施加正應力時，IGBT芯片的壓阻效應使其電阻變小。

由圖10可知，在同一壓力下，隨著溫度的增大，器件同一集電極電流對應的通態壓降逐漸增大。這是因為當溫度發生變化，Si材料的熱導率、載流子濃度、遷移率、載流子壽命、擴散系數等參數都將發生變化。為了改善器件穩態階段的并聯均流效果，一般商用IGBT器件均設計為正溫度系數。

4 結語

本文針對壓接式功率器件靜態特性的測試需求，通過對關鍵問題進行分析，設計并研制了一種可以同時施加溫度和壓力的壓接式功率器件高精度靜態特性測試裝置，并使用該裝置對不同溫度與不同壓力下IGBT的靜態特性進行了測量，發現IGBT器件具有正溫度系數、負壓力系數，即在同一壓力下，IGBT器件的通態壓降隨著溫度的升高而增大;在同一溫度下，IGBT器件的通態壓降隨著壓力的增大而減小。

[參考文獻]

[1] 溫家良，葛俊，潘艷，等.直流電網用電力電子器件發展與展望[J].電網技術，2016，40（3）：663-669.

[2] WONG C，PRIEST K.Current Sharing for Paralleled IGBTs Using Statistics Method[C]// 1996 IEEE Industry Applications Conference Thirty-First IAS Annual Meeting，1996：1418-1424.

[3] 楊文煥，狄天錫.晶閘管導通壓降的溫度特性及其對均流系數的影響[J].電力機車與城軌車輛，2003，26（5）：12-14.

[4] HASMASAN A，BUSCA C，TEODORESCU R，et al.Modelling the Clamping Force Distribution Among Chips in Press-pack IGBTs Using the Finite Element Method[C]//2012 3rd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems，2012：788-793.

[5] DENG E，ZHAO Z B，LIN Z K，et al.Influence of Temperature on the Pressure Distribution within Press Pack IGBTs[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2017，33（7）：6048-6059.

[6] LAI W，LI H，CHEN M Y，et al.Investigation on the Effects of Unbalanced Clamping Force on Multi-chip Press Pack IGBT Modules[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2019，7（4）：2314-2322.

[7] DENG Z Y，CHEN M Y，WEI Y H，et al.Condition Monitoring of Multi-chip Parallel Presspack IGBT Devices Based on Current Distribution[C]// 2020 4th International Conference on HVDC （HVDC），2020：900-905.

[8] BELMEHDI Y，AZZOPARDI S，DELETAGE J Y，et al.Electromechanical Characterization of "Flying" Planar Gate Punch Through IGBT Bare Die[C]// 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE），2010：84-91.

[9] BACCAR F，AZZOPARDI S，THEOLIER L，et al.Electrical Characterization Under Mechanical Stress at Various Temperatures of PiN Power Diodes in a Health Monitoring Approach[J].Microelectronics Reliabil-

ity，2013，53（9/10/11）：1719-1724.

[10] 彭端，彭珞麗.IGBT靜態特性測試儀的研究[J].電力電子技術，1997（1）：85-86.

[11] 彭程，顧妙松，楊藝烜，等.一種連續測量IGBT芯片輸出曲線的裝置及方法：CN109752638A[P].2019-05-14.

收稿日期：2021-04-16

作者簡介：閆音蓓（1996—），女，山西晉中人，在讀碩士研究生，研究方向：高壓大功率半導體器件封裝與測試。