摘要：壓接式功率器件是高壓大功率設(shè)備的核心部件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、交通軌道等領(lǐng)域，其具有雙面散熱、雜散參數(shù)小、易于串聯(lián)等優(yōu)勢(shì)。壓接式功率器件的動(dòng)靜態(tài)性能是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)，其中靜態(tài)特性受溫度與壓力的影響?，F(xiàn)研制了一種壓接式功率器件靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)，其可實(shí)現(xiàn)不同溫度與不同壓力下功率器件靜態(tài)特性的準(zhǔn)確測(cè)量。針對(duì)該壓接式功率器件靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)，以壓接式IGBT器件的靜態(tài)特性測(cè)試為例進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(cè)試平臺(tái)的研制對(duì)于壓接式功率器件多物理量影響機(jī)理的研究以及可靠性評(píng)估具有重要意義。

關(guān)鍵詞：壓接式功率器件;靜態(tài)特性;溫度;壓力;輸出曲線(xiàn)

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(shù)小、雙面散熱、易于串聯(lián)及短路失效等優(yōu)勢(shì)，是高壓大容量設(shè)備的核心部件，現(xiàn)已成為支撐智能電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)器件[1]。

半導(dǎo)體器件的靜態(tài)特性是半導(dǎo)體器件建模的基礎(chǔ)參數(shù)，是器件性能評(píng)估及可靠性研究的重要參考指標(biāo)。其中，輸出特性所含信息豐富，是至關(guān)重要的靜態(tài)特性。輸出曲線(xiàn)的快速準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于半導(dǎo)體器件廠(chǎng)商篩選產(chǎn)品以及用戶(hù)對(duì)器件盡限使用具有重要的意義。由于半導(dǎo)體器件內(nèi)部的載流子濃度及壽命等受溫度的影響較大[2-3]，半導(dǎo)體器件的輸出特性與溫度密切相關(guān)。此外，壓接式半導(dǎo)體器件在使用過(guò)程中需要承受正向機(jī)械應(yīng)力，壓阻效應(yīng)的存在使得器件在不同機(jī)械壓力下的輸出特性也有差異[4-5]。因此，為實(shí)現(xiàn)真實(shí)應(yīng)用工況下半導(dǎo)體器件輸出特性的準(zhǔn)確測(cè)量，必須考慮器件的溫度及壓力狀態(tài)。

有學(xué)者考慮溫度或壓力的影響開(kāi)展了半導(dǎo)體器件輸出特性測(cè)量方法的研究。2018年，重慶大學(xué)的Wei Lai等人利用溫箱測(cè)量了壓接式IGBT器件在不同溫度下的導(dǎo)通特性[6]。2020年，重慶大學(xué)的Zhenyu Deng等人使用加熱板測(cè)量了不同溫差下IGBT的通態(tài)均流情況，指出溫度會(huì)影響IGBT的輸出曲線(xiàn)，從而影響器件穩(wěn)態(tài)階段的均流情況[7]。2010年，法國(guó)波爾多大學(xué)的Y. Belmehdi等人對(duì)IGBT晶圓切片，并利用四點(diǎn)彎曲法對(duì)晶圓施加切向機(jī)械應(yīng)力，對(duì)IGBT晶圓的壓阻效應(yīng)進(jìn)行了研究[8]。2013年，他們又采用相同的方法對(duì)二極管晶圓切片并放入溫箱中，測(cè)量其輸出特性，進(jìn)行切向機(jī)械應(yīng)力及溫度對(duì)輸出特性曲線(xiàn)影響的研究[9]。

綜上所述，當(dāng)考慮溫度及壓力對(duì)半導(dǎo)體器件輸出特性的影響時(shí)，雖然已經(jīng)有研究涉及溫度或機(jī)械壓力對(duì)半導(dǎo)體器件輸出特性的影響，然而只能施加切向機(jī)械應(yīng)力，無(wú)法反映實(shí)際應(yīng)用中的正向機(jī)械應(yīng)力對(duì)半導(dǎo)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(tài)特性測(cè)試設(shè)備。

本文首先闡述了靜態(tài)特性的測(cè)試原理;然后以壓接式IGBT器件為例提出了設(shè)計(jì)需求，并確定了合理的測(cè)試方案;最后，在不同的壓力與溫度下，測(cè)量了壓接式IGBT器件的靜態(tài)輸出特性，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了機(jī)理分析。

1 測(cè)試原理

器件生產(chǎn)廠(chǎng)家一般給出兩種靜態(tài)特性曲線(xiàn)，即輸出曲線(xiàn)與轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)。通常輸出曲線(xiàn)包含有源區(qū)、飽和區(qū)以及截止區(qū)的信息，而轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)只對(duì)應(yīng)器件的有源區(qū)，而且可以通過(guò)輸出曲線(xiàn)坐標(biāo)變換得到轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)，所以本文主要關(guān)注輸出曲線(xiàn)的測(cè)試。

現(xiàn)有半導(dǎo)體器件靜態(tài)特性測(cè)量方法可以分為點(diǎn)測(cè)法和線(xiàn)測(cè)法兩種。點(diǎn)測(cè)法的原理是逐點(diǎn)測(cè)量不同電流下半導(dǎo)體器件的通態(tài)壓降，繪制出某一柵極電壓下的輸出特性曲線(xiàn)。點(diǎn)測(cè)法一般采用短電流脈沖測(cè)量不同工作點(diǎn)下的通態(tài)壓降，可以有效控制芯片自熱帶來(lái)的測(cè)量誤差，因此商用半導(dǎo)體器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試儀器一般采用點(diǎn)測(cè)法[10]。線(xiàn)測(cè)法一般將功率半導(dǎo)體器件的輸出特性測(cè)量嵌入到動(dòng)態(tài)特性測(cè)量過(guò)程中，在雙脈沖試驗(yàn)的負(fù)載電流建立過(guò)程或者負(fù)載電感續(xù)流過(guò)程中，利用線(xiàn)性變化的電流，測(cè)量其通路中串聯(lián)的被測(cè)半導(dǎo)體器件的通態(tài)壓降，繪制出半導(dǎo)體器件的輸出特性曲線(xiàn)[11]。線(xiàn)測(cè)法可以集成在動(dòng)態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)中，測(cè)試速度快，也更靈活，但由于測(cè)試過(guò)程中不可避免地引入溫度因素，因此測(cè)試準(zhǔn)確性不高。與線(xiàn)測(cè)法相比，點(diǎn)測(cè)法采用短電流脈沖測(cè)量輸出特性曲線(xiàn)，有效屏蔽了器件熱效應(yīng)的影響，測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確。所以本文采用點(diǎn)測(cè)法進(jìn)行靜態(tài)特性測(cè)試。

依據(jù)點(diǎn)測(cè)法的測(cè)試原理，建立如圖1所示的測(cè)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(cè)量得到的電壓信號(hào)VH-VL作為x軸，將測(cè)量得到的電流信號(hào)Ic作為y軸，就可以得到器件的一條靜態(tài)輸出曲線(xiàn)。在不同柵極電壓下進(jìn)行測(cè)量，就可以得到完整的靜態(tài)輸出曲線(xiàn)圖。

為了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)輸出曲線(xiàn)的連續(xù)測(cè)量，本文使用直流脈沖電源Vs與待測(cè)器件相連，直流脈沖電源可以提供幅值按照等差數(shù)列遞增的脈沖串，而且單個(gè)脈沖寬度和兩個(gè)脈沖之間的間隔均可調(diào)。在測(cè)量前，通過(guò)設(shè)置較短的脈沖寬度，并選取每個(gè)脈沖器件通態(tài)且時(shí)間靠前的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜態(tài)輸出曲線(xiàn)的逐點(diǎn)繪制，即可減小發(fā)熱引起的測(cè)量誤差。

2 設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)方案

2.1 ? ?設(shè)計(jì)需求

壓接式IGBT器件的結(jié)構(gòu)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(fā)射極凸臺(tái)、柵極PCB板等組件。器件的外部一般設(shè)置有母排，為器件提供電壓。通過(guò)在集電極銅板與發(fā)射極凸臺(tái)之間施加壓力，實(shí)現(xiàn)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(tài)特性，要求設(shè)計(jì)的靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)具備靈活調(diào)控溫度、壓力與電氣量的能力，并且可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)階段電流與電壓的精確測(cè)量。

具體看來(lái)，壓力方面，要求盡量保證器件表面受力的均衡性，避免應(yīng)力集中帶來(lái)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(jié)溫測(cè)量的準(zhǔn)確性。電壓測(cè)量方面，要求盡量靠近器件進(jìn)行測(cè)量，減少雜散參數(shù)帶來(lái)的影響。電流測(cè)量方面，要求低頻寬幅值范圍的準(zhǔn)確測(cè)量。

2.2 ? ?測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)壓力均衡的要求，本文采用柱狀壓力機(jī)對(duì)壓接式器件施加壓力，其可實(shí)現(xiàn)壓力的精確調(diào)控。壓力機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，壓力柱下端采用壓力球頭實(shí)現(xiàn)機(jī)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?yōu)辄c(diǎn)接觸，降低了對(duì)壓力機(jī)的壓力柱加工的機(jī)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(jī)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(jī)械壓力。

為了驗(yàn)證壓力機(jī)的實(shí)際效果，通過(guò)富士壓力試紙測(cè)試了單芯片表面的壓力分布情況，結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)壓力基本均衡，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)電壓準(zhǔn)確測(cè)量的要求，在被測(cè)壓接式器件正負(fù)極兩端采用四端法進(jìn)行電壓測(cè)量。如圖5所示，中間為被測(cè)器件，器件兩端為電壓測(cè)試母排，而電壓測(cè)試板之外為電壓施加母排。相比單板同時(shí)連接測(cè)量?jī)x器與電源，四端法可以減小大電流流經(jīng)測(cè)試回路引起的測(cè)量誤差，而且相比引線(xiàn)測(cè)量更加準(zhǔn)確。差分電壓的測(cè)量有兩種方式，一種為兩個(gè)無(wú)源電壓探頭測(cè)量法，另一種為使用一個(gè)電壓差分探頭進(jìn)行電壓的測(cè)量。前者的共模抑制比不能保證電壓的準(zhǔn)確測(cè)量，所以選用電壓差分探頭進(jìn)行通態(tài)電壓的測(cè)量。此外，霍爾電流鉗可以滿(mǎn)足低頻寬范圍電流的測(cè)量要求。

溫度方面，選擇常用的溫箱加熱法，實(shí)現(xiàn)壓接式器件各個(gè)部件的均勻加熱。

3 平臺(tái)研制與靜態(tài)特性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述理論分析，本文建立了壓接式功率器件靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖6、圖7所示。測(cè)量設(shè)備包括：測(cè)量Vce的差分電壓探頭（DP-30HS）、測(cè)量Ic的霍爾電流鉗（PT7402A）、接收電壓與電流波形信號(hào)的示波器（HDO4104A）。另外，驅(qū)動(dòng)電壓由直流電源（PD9600D）提供，驅(qū)動(dòng)電壓的測(cè)試范圍是0～30 V。集電極-發(fā)射極電壓由脈沖直流電源（WYG-12V400A）與信號(hào)控制器提供，可連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)階梯型電壓的輸出。集電極-發(fā)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(jī)調(diào)節(jié)壓力的范圍是0～20 kN。

對(duì)IKW25N120H3型號(hào)的IGBT器件進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，將其測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示，兩者基本重合，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)可以準(zhǔn)確地測(cè)量器件的靜態(tài)特性。

對(duì)國(guó)產(chǎn)某型號(hào)3.3 kV/50 A的壓接式IGBT單芯片子模組進(jìn)行不同壓力與不同溫度下的靜態(tài)特性測(cè)試，其結(jié)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(duì)應(yīng)的通態(tài)壓降逐漸減小。這是由于單一方向的壓力會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部能帶等勢(shì)面偏移或解耦，因此影響了半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的數(shù)量，使得半導(dǎo)體電阻發(fā)生變化，即壓阻效應(yīng)。當(dāng)集電極側(cè)施加正應(yīng)力時(shí)，IGBT芯片的壓阻效應(yīng)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(duì)應(yīng)的通態(tài)壓降逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)溫度發(fā)生變化，Si材料的熱導(dǎo)率、載流子濃度、遷移率、載流子壽命、擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)都將發(fā)生變化。為了改善器件穩(wěn)態(tài)階段的并聯(lián)均流效果，一般商用IGBT器件均設(shè)計(jì)為正溫度系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)壓接式功率器件靜態(tài)特性的測(cè)試需求，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并研制了一種可以同時(shí)施加溫度和壓力的壓接式功率器件高精度靜態(tài)特性測(cè)試裝置，并使用該裝置對(duì)不同溫度與不同壓力下IGBT的靜態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)IGBT器件具有正溫度系數(shù)、負(fù)壓力系數(shù)，即在同一壓力下，IGBT器件的通態(tài)壓降隨著溫度的升高而增大;在同一溫度下，IGBT器件的通態(tài)壓降隨著壓力的增大而減小。

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收稿日期：2021-04-16

作者簡(jiǎn)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(dǎo)體器件封裝與測(cè)試。