CN113960446B - 一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，包括：箱体、承载台、环境加热器、冷却水箱、硅脂、SiC芯片、Al2O3绝缘层、芯片加热器和热电偶。该装置通过环境加热器提供箱体内部的环境温度，通过芯片加热器来模拟SiC芯片工作时自身所产生的热量，之后通过冷却水箱来加速SiC芯片冷却，完成一次功率循环。通过稳压电源给环境加热器和芯片加热器提供稳定的电源，通过控制电脑控制该装置的循环次数及循环时间，从而达到加速实验的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件封装与测试的技术领域，具体是一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置。
背景技术
随着SiC功率芯片的迅速发展，一些新兴领域内对SiC芯片的性能及可靠性的要求变得越发严苛。一般情况下，SiC功率芯片的性能及可靠性与其工作的环境温度和其自身的发热情况有关，例如芯片在工作过程中的开关和导通、外部环境的变化等都会引起芯片自身和其所处环境的温度变化。这些因素所引起的温度变化范围为0-100℃，且影响时间可以是几微妙，也可以是几个月。因此，从研发到量产，每个阶段都需要对其进行功率循环实验，通过给芯片不断地、高频次地升温-保持-降温，以加速其内部构件的老化与疲劳等过程，最终得到它的典型失效模式，以了解其性能及可靠性。现有功率循环装置中存在一些问题，比如芯片加热过慢，加热不均匀等问题，这些问题对准确预测芯片的寿命及失效模式会有一定的影响，因此可以对此问题做出改进。
发明内容
为了能够准确预测SiC芯片的使用寿命及其失效模式，并缩短实验时间，加快实验进程，本发明提供了一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置。该装置通过环境加热器提供箱体内部的环境温度，通过芯片加热器来模拟SiC芯片工作时自身所产生的热量，之后通过冷却水箱来加速SiC芯片冷却，完成一次功率循环。通过稳压电源给环境加热器和芯片加热器提供稳定的电源，通过控制电脑控制该装置的循环次数及循环时间，从而达到加速实验的目的。
本发明技术方案如下：
一种可控温的芯片功率循环装置，其特征在于，包括：箱体、承载台、环境加热器、冷却水箱、硅脂、SiC芯片、Al2O3绝缘层、芯片加热器和热电偶。
箱体分为内外两层，其外层负责承载负载，内层负责保温；承载台有两个，对称固定在箱体内层的中部位置，用以承接冷却水箱。环境加热器固定于箱体内层的侧壁上，用以给箱体内部环境提供稳定的温度，模拟SiC芯片实际工况下的环境温度。
冷却水箱横架放置于两个承载台上，一侧中部的三个孔为进水口，另一侧下部的三个孔作为出水口，用以给SiC芯片进行快速降温。硅脂涂敷于冷却水箱上表面中部位置，上面放置有SiC芯片。Al2O3绝缘层位于SiC芯片与芯片加热器之间；芯片加热器位于Al2O3绝缘层之上；热电偶悬于芯片加热器上方两毫米处，用于实时监测SiC芯片的温度。所述热电偶悬于芯片加热器上方，热电偶由热电偶支架进行连接。
进一步地，箱体的箱门中部为可视耐高温玻璃，用以观察箱体内部实验情况。
进一步地，硅脂用以将SiC芯片上的热量加速传递到冷却水箱上，强化冷却水箱的冷却效果。
进一步地，Al2O3绝缘层位于SiC芯片与芯片加热器之间通过胶接剂粘接到SiC芯片和芯片加热器上，用以更均匀地传递热量，使芯片加热器更加均匀的加热SiC芯片，以便更好地模拟实际工况。
进一步地，芯片加热器通过胶接剂粘接到Al2O3绝缘层上表面，用以将SiC芯片加热到指定温度。
进一步地，芯片加热器(8)由控制电脑进行控制加热，控制电脑与稳压电源连接。
一种可控温的SiC芯片功率循环实验方法，包括：通过芯片加热器的盘旋状加热管使SiC芯片表面更加均匀的受热升温；又通过在芯片加热器和SiC芯片之间添加一层1微米厚的Al2O3绝缘层分散热量的传递，使SiC芯片的受热比之之前更加均匀，以此方式更加切合地模拟SiC芯片在实际使用过程中自身所产生的热量，更加准确地预测其使用寿命及失效模式。
与现有技术相比，本发明提供的可控温的SiC芯片功率循环实验装置及方法，可以通过芯片加热器特别的盘旋状结构及Al2O3绝缘层将芯片加热器所产生的热量均匀地传递到SiC芯片表面，使实验更加真实准确地模拟SiC芯片的实际使用工况，以获得更准确的实验数据及结果，更方便、准确地预测SiC芯片的使用寿命及失效模式。
附图说明
图1为本发明实施例的可控温的SiC芯片功率循环实验装置的结构示意图
图2a为本发明实施例的可控温的SiC芯片功率循环实验装置的局部放大示意图
图2b为本发明实施例的可控温的SiC芯片功率循环实验装置的局部放大示意图
具体实施方式
为使本发明能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。为方便说明，实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。
提供一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，如图1所示。它包括：箱体(1)，承载台(2)，环境加热器(3)，冷却水箱(4)，硅脂(5)，SiC芯片(6)，Al2O3绝缘层(7)，芯片加热器(8)，热电偶(9)，热电偶支架(10)，控制电脑以及稳压电源。
如图1所示，承载台(201)和承载台(202)对称位于箱体(1)内部中间位置；所述环境加热器(3)置于箱体(1)内侧后壁上；所述冷却水箱(4)横架于两个承载台(2)上，冷却水箱(4)左侧中部有三个等大的圆孔作为进水口(401)，其右侧下部有三个等大的圆孔作为出水孔(402)；所述硅脂(5)涂敷在冷却水箱(4)上表面的中部位置，其上放置SiC芯片(6)；所述Al2O3绝缘层(7)置于SiC芯片(6)上，其上为芯片加热器(8)，Al2O3绝缘层(7)上下表面分别通过胶接剂粘接到SiC芯片和芯片加热器上；所述热电偶(9)悬于芯片加热器(8)上方两毫米处，其上为热电偶支架(10)。
所述箱体(1)分为两层，其外层(101)为金属框架，为整个结构提供支撑，其内层(102)为保温层，保证环境加热器(3)提供的箱内环境温度保持在设定温度，箱体门(103)中部为可视玻璃(104)用于观察箱体内部情况。
所述承载台(2)有两个，承载台(201)和承载台(202)对称位于箱体(1)内侧中部位置，为冷却水箱(4)等部件提供支撑。
所述环境加热器(3)是为箱体(1)内部环境提供一个指定的温度，并结合箱体内层(102)保温层使箱体内部环境温度保持在指定实验温度。
所述冷却水箱(4)其作用是为SiC芯片(6)降温。其左右两侧各有三个等大的圆孔，其中左侧中部的三个圆孔(401)为进水口，其右侧下部的三个圆孔(402)为出水口。冷却水箱(4)是为实验目标SiC芯片(6)进行冷却降温的，在SiC芯片(6)被芯片加热器(8)快速加热到指定温度并保持一定时间后，为SiC芯片(6)进行快速降温，以达到加速实验的目的。
所述硅脂(5)是为SiC芯片(6)提供更高的散热率，强化冷却水箱(4)的效果，使SiC芯片(6)的热量更快地被冷却水箱(4)带走。
所述SiC芯片(6)可以是碳化硅基的MOSFET芯片。
所述Al2O3绝缘层(7)的作用是通过其自身的属性，将芯片加热器(8)产生的热量更加均匀的传导到SiC芯片(6)上，并且其在固态时不导电，不会造成芯片的短路现象。
所述芯片加热器(8)通电后可以迅速产生大量的热使SiC芯片(6)达到指定温度并保持，并由于其盘旋状的结构，使SiC芯片的受热更为均匀。之后SiC芯片(6)通过冷却水箱(4)迅速冷却。芯片加热器(8)与冷却水箱(4)相配合对SiC芯片(6)进行一次循环。
所述热电偶(9)的作用是对SiC芯片(6)的温度进行实时测量。
所述热电偶支架(10)作用是固定热电偶(9)。
所述可控温的SiC芯片功率循环实验装置，其特征在于，通过环境加热器(3)为箱体(1)内部提供指定的温度，并结合箱体内侧保温层(102)使箱体内部的温度始终保持设定的恒定温度；之后通过控制电脑，由芯片加热器(8)使被测SiC芯片(6)升温到指定温度，其中SiC芯片(6)与芯片加热器(8)之间的Al2O3绝缘层(7)可以把芯片加热器(8)加热管所产生的热量更加均匀的传导到SiC芯片(6)表面，以更好地模拟实际SiC芯片的工况；之后通过SiC芯片(6)下部的冷却水箱(4)将SiC芯片(6)的热量带走，给SiC芯片(6)迅速降温，其中SiC芯片(6)与冷却水箱(4)之间的硅脂(5)是为SiC芯片(6)提供更高的散热率，强化冷却水箱(4)的效果，使SiC芯片(6)的热量更快地被冷却水箱(4)带走。至此SiC芯片(6)完成了一次功率循环，通过稳压电源给环境加热器(3)和芯片加热器(8)提供稳定的电源，通过控制电脑可以设定循环次数以及每个循环的时间，以此来对SiC芯片进行加速寿命实验。特别的，由于芯片加热器(8)特别的盘旋状加热管以及Al2O3绝缘层(7)的相互配合，使SiC芯片的受热更加均匀，使实验更准确，数据更可靠。
Claims (7)
1.一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，其特征在于，包括：箱体、承载台、环境加热器、冷却水箱、硅脂、SiC芯片、Al2O3绝缘层、芯片加热器和热电偶；
箱体分为内外两层，其外层负责承载负载，内层负责保温；承载台有两个，对称固定在箱体内层的中部位置，用以承接冷却水箱；环境加热器固定于箱体内层的侧壁上，用以给箱体内部环境提供稳定的温度，模拟SiC芯片实际工况下的环境温度；
冷却水箱横架放置于两个承载台上，一侧中部的三个孔为进水口，另一侧下部的三个孔作为出水口，用以给SiC芯片进行快速降温；硅脂涂敷于冷却水箱上表面中部位置，上面放置有SiC芯片；Al2O3绝缘层位于SiC芯片与芯片加热器之间；芯片加热器位于Al2O3绝缘层之上；热电偶用于实时监测SiC芯片的温度；所述热电偶悬于芯片加热器上方，热电偶由热电偶支架进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，其特征在于，箱体的箱门中部为可视耐高温玻璃，用以观察箱体内部实验情况。
3.根据权利要求1所述的一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，其特征在于，硅脂用以将SiC芯片上的热量加速传递到冷却水箱上，强化冷却水箱的冷却效果。
4.根据权利要求1所述的一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，其特征在于，Al2O3绝缘层位于SiC芯片与芯片加热器之间通过胶接剂粘接到SiC芯片和芯片加热器上，用以均匀传递热量，使芯片加热器更加均匀的加热SiC芯片模拟实际工况。
5.根据权利要求1所述的一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，其特征在于，芯片加热器通过胶接剂粘接到Al2O3绝缘层上表面，用以将SiC芯片加热到指定温度。
6.根据权利要求1所述的一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，其特征在于，芯片加热器(8)由控制电脑进行控制加热，控制电脑与稳压电源连接。
7.根据权利要求1所述的一种可控温的SiC芯片功率循环实验装置，其特征在于，该装置的实验方法通过芯片加热器的盘旋状加热管使SiC芯片表面更加均匀的受热升温；又通过在芯片加热器和SiC芯片之间添加一层1微米的Al2O3绝缘层分散热量的传递，使SiC芯片的受热均匀，模拟SiC芯片在实际使用过程中自身所产生的热量，更加准确地预测其使用寿命及失效模式。
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