压接式功率器件静态特性测试平台的研制

摘要：压接式功率器件是高压大功率设备的核心部件，广泛应用于电力系统、交通轨道等领域，其具有双面散热、杂散参数小、易于串联等优势。压接式功率器件的动静态性能是现阶段研究的热点，其中静态特性受温度与压力的影响。现研制了一种压接式功率器件静态特性测试平台，其可实现不同温度与不同压力下功率器件静态特性的准确测量。针对该压接式功率器件静态特性测试平台，以压接式IGBT器件的静态特性测试为例进行试验，发现相同集电极下，压力越大，饱和压降越小;温度越大，饱和压降越大。该测试平台的研制对于压接式功率器件多物理量影响机理的研究以及可靠性评估具有重要意义。

关键词：压接式功率器件;静态特性;温度;压力;输出曲线

0 引言

大功率电力电子器件的封装形式主要包括压接式与焊接式。其中，压接式功率器件具有杂散参数小、双面散热、易于串联及短路失效等优势，是高压大容量设备的核心部件，现已成为支撑智能电网发展的基础器件[1]。

半导体器件的静态特性是半导体器件建模的基础参数，是器件性能评估及可靠性研究的重要参考指标。其中，输出特性所含信息丰富，是至关重要的静态特性。输出曲线的快速准确测量对于半导体器件厂商筛选产品以及用户对器件尽限使用具有重要的意义。由于半导体器件内部的载流子浓度及寿命等受温度的影响较大[2-3]，半导体器件的输出特性与温度密切相关。此外，压接式半导体器件在使用过程中需要承受正向机械应力，压阻效应的存在使得器件在不同机械压力下的输出特性也有差异[4-5]。因此，为实现真实应用工况下半导体器件输出特性的准确测量，必须考虑器件的温度及压力状态。

有学者考虑温度或压力的影响开展了半导体器件输出特性测量方法的研究。2018年，重庆大学的Wei Lai等人利用温箱测量了压接式IGBT器件在不同温度下的导通特性[6]。2020年，重庆大学的Zhenyu Deng等人使用加热板测量了不同温差下IGBT的通态均流情况，指出温度会影响IGBT的输出曲线，从而影响器件稳态阶段的均流情况[7]。2010年，法国波尔多大学的Y. Belmehdi等人对IGBT晶圆切片，并利用四点弯曲法对晶圆施加切向机械应力，对IGBT晶圆的压阻效应进行了研究[8]。2013年，他们又采用相同的方法对二极管晶圆切片并放入温箱中，测量其输出特性，进行切向机械应力及温度对输出特性曲线影响的研究[9]。

综上所述，当考虑温度及压力对半导体器件输出特性的影响时，虽然已经有研究涉及温度或机械压力对半导体器件输出特性的影响，然而只能施加切向机械应力，无法反映实际应用中的正向机械应力对半导体器件输出特性的影响，而且缺乏集温度控制与压力控制于一体的压接式静态特性测试设备。

本文首先阐述了静态特性的测试原理;然后以压接式IGBT器件为例提出了设计需求，并确定了合理的测试方案;最后，在不同的压力与温度下，测量了压接式IGBT器件的静态输出特性，并对结果进行了机理分析。

1 测试原理

器件生产厂家一般给出两种静态特性曲线，即输出曲线与转移曲线。通常输出曲线包含有源区、饱和区以及截止区的信息，而转移曲线只对应器件的有源区，而且可以通过输出曲线坐标变换得到转移曲线关键点，所以本文主要关注输出曲线的测试。

现有半导体器件静态特性测量方法可以分为点测法和线测法两种。点测法的原理是逐点测量不同电流下半导体器件的通态压降，绘制出某一栅极电压下的输出特性曲线。点测法一般采用短电流脉冲测量不同工作点下的通态压降，可以有效控制芯片自热带来的测量误差，因此商用半导体器件静态参数测试仪器一般采用点测法[10]。线测法一般将功率半导体器件的输出特性测量嵌入到动态特性测量过程中，在双脉冲试验的负载电流建立过程或者负载电感续流过程中，利用线性变化的电流，测量其通路中串联的被测半导体器件的通态压降，绘制出半导体器件的输出特性曲线[11]。线测法可以集成在动态特性测试平台中，测试速度快，也更灵活，但由于测试过程中不可避免地引入温度因素，因此测试准确性不高。与线测法相比，点测法采用短电流脉冲测量输出特性曲线，有效屏蔽了器件热效应的影响，测量结果更为准确。所以本文采用点测法进行静态特性测试。

依据点测法的测试原理，建立如图1所示的测试电路。在某一恒定的栅极电压下，为DUT施加不同限幅的矩形脉冲，将测量得到的电压信号VH-VL作为x轴，将测量得到的电流信号Ic作为y轴，就可以得到器件的一条静态输出曲线。在不同栅极电压下进行测量，就可以得到完整的静态输出曲线图。

为了实现静态输出曲线的连续测量，本文使用直流脉冲电源Vs与待测器件相连，直流脉冲电源可以提供幅值按照等差数列递增的脉冲串，而且单个脉冲宽度和两个脉冲之间的间隔均可调。在测量前，通过设置较短的脉冲宽度，并选取每个脉冲器件通态且时间靠前的测量数据，进行静态输出曲线的逐点绘制，即可减小发热引起的测量误差。

2 设计需求和设计方案

2.1    设计需求

压接式IGBT器件的结构如图2所示，包括集电极铜板、上钼片、IGBT芯片、银片、下钼片、栅极顶针、PEEK框架、发射极凸台、栅极PCB板等組件。器件的外部一般设置有母排，为器件提供电压。通过在集电极铜板与发射极凸台之间施加压力，实现芯片与各极电路之间的电气接触以及热接触。

为了获得电-热-力综合影响下压接式功率器件的静态特性，要求设计的静态特性测试平台具备灵活调控温度、压力与电气量的能力，并且可以实现稳态阶段电流与电压的精确测量。

具体看来，压力方面，要求尽量保证器件表面受力的均衡性，避免应力集中带来的芯片与器件的损伤。温度方面，要求保证器件加热的均匀性，并且保证结温测量的准确性。电压测量方面，要求尽量靠近器件进行测量，减少杂散参数带来的影响。电流测量方面，要求低频宽幅值范围的准确测量。

2.2    测试平台设计方案

针对压力均衡的要求，本文采用柱状压力机对压接式器件施加压力，其可實现压力的精确调控。压力机内部结构如图3所示，压力柱下端采用压力球头实现机械压力的传递，可以将压力施加件与压力平行板的面接触变为点接触，降低了对压力机的压力柱加工的机械误差或轴承误差的要求。在靠近器件的压力施加面上，采用压力平行板将机械压力传递给压接式器件，平行板平面可以保证器件上承受正向机械压力。

为了验证压力机的实际效果，通过富士压力试纸测试了单芯片表面的压力分布情况，结果如图4所示，可见压力基本均衡，满足设计要求。

针对电压准确测量的要求，在被测压接式器件正负极两端采用四端法进行电压测量。如图5所示，中间为被测器件，器件两端为电压测试母排，而电压测试板之外为电压施加母排。相比单板同时连接测量仪器与电源，四端法可以减小大电流流经测试回路引起的测量误差，而且相比引线测量更加准确。差分电压的测量有两种方式，一种为两个无源电压探头测量法，另一种为使用一个电压差分探头进行电压的测量。前者的共模抑制比不能保证电压的准确测量，所以选用电压差分探头进行通态电压的测量。此外，霍尔电流钳可以满足低频宽范围电流的测量要求。

温度方面，选择常用的温箱加热法，实现压接式器件各个部件的均匀加热。

3 平台研制与静态特性测试结果

根据上述理论分析，本文建立了压接式功率器件静态特性测试平台，其结构与实物如图6、图7所示。测量设备包括：测量Vce的差分电压探头（DP-30HS）、测量Ic的霍尔电流钳（PT7402A）、接收电压与电流波形信号的示波器（HDO4104A）。另外，驱动电压由直流电源（PD9600D）提供，驱动电压的测试范围是0～30 V。集电极-发射极电压由脉冲直流电源（WYG-12V400A）与信号控制器提供，可连接计算机进行远程自动调控，从而实现阶梯型电压的输出。集电极-发射极电压输出的范围是0～12 V，温箱的温度范围是-40～200 ℃，压力机调节压力的范围是0～20 kN。

对IKW25N120H3型号的IGBT器件进行静态测试，将其测试结果与数据手册进行对比，结果如图8所示，两者基本重合，说明本文设计的测试平台可以准确地测量器件的静态特性。

对国产某型号3.3 kV/50 A的压接式IGBT单芯片子模组进行不同压力与不同温度下的静态特性测试，其结果如图9、图10所示。

由图9可知，在同一温度下，随着压力的增大，器件同一集电极电流对应的通态压降逐渐减小。这是由于单一方向的压力会使半导体内部能带等势面偏移或解耦，因此影响了半导体内部载流子的数量，使得半导体电阻发生变化，即压阻效应。当集电极侧施加正应力时，IGBT芯片的压阻效应使其电阻变小。

由图10可知，在同一压力下，随着温度的增大，器件同一集电极电流对应的通态压降逐渐增大。这是因为当温度发生变化，Si材料的热导率、载流子浓度、迁移率、载流子寿命、扩散系数等参数都将发生变化。为了改善器件稳态阶段的并联均流效果，一般商用IGBT器件均设计为正温度系数。

4 结语

本文针对压接式功率器件静态特性的测试需求，通过对关键问题进行分析，设计并研制了一种可以同时施加温度和压力的压接式功率器件高精度静态特性测试装置，并使用该装置对不同温度与不同压力下IGBT的静态特性进行了测量，发现IGBT器件具有正温度系数、负压力系数，即在同一压力下，IGBT器件的通态压降随着温度的升高而增大;在同一温度下，IGBT器件的通态压降随着压力的增大而减小。

[参考文献]

[1] 温家良，葛俊，潘艳，等.直流电网用电力电子器件发展与展望[J].电网技术，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] 杨文焕，狄天锡.晶闸管导通压降的温度特性及其对均流系数的影响[J].电力机车与城轨车辆，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，彭珞丽.IGBT静态特性测试仪的研究[J].电力电子技术，1997（1）：85-86.

[11] 彭程，顾妙松，杨艺烜，等.一种连续测量IGBT芯片输出曲线的装置及方法：CN109752638A[P].2019-05-14.

收稿日期：2021-04-16

作者简介：闫音蓓（1996—），女，山西晋中人，在读硕士研究生，研究方向：高压大功率半导体器件封装与测试。