一种智能可控温的GaN功率循环实验装置

一种智能可控温的gan功率循环实验装置
技术领域
1.本发明涉及电子元器件封装与测试的技术领域，具体是一种智能可控温的gan功率循环实验装置。


背景技术：

2.随着芯片行业的不断发展，开关速度更快、效率更高的gan芯片得到了更多的应用，对应而来，对gan芯片性能及可靠性要求也越来越严格。一般情况下，芯片的性能及可靠性与其工作环境密切相关，尤其是温度的影响是不容忽略的，不仅外界温度变化对gan芯片工作有影响，还有其本身在工作过程中由于其自身发热的所带来的影响。这些温度所引起的变化范围是0-100℃，影响时间可能短到几微妙，也可能长达几天，甚至几个月的时间。所以说，我们要不断地、高频地对gan芯片工作的每个阶段进行升温-保持-降温的循环实验，通过实验的方法，加速芯片老化的过程，达到了解其性能和可靠性的目的。在目前的循环装置中，存在温度不恒定，老化过程较慢，芯片受热不均匀，不能清晰的观测到芯片温度状态变化等问题，因此本装置对此做出改进。


技术实现要素：

3.为了能够准确预测gan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gan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gan芯片工作时自身所产生的热量，之后通过冷却水箱来加速gan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，通过箱体门上菜单键设置该装置的环境温度、循环次数及循环时间，从而达到加速实验的目的。
4.本发明技术方案如下：
5.一种可控温的芯片功率循环装置，其特征在于，包括：箱体、显示屏、承载台、环境加热器、冷却水箱、硅脂、gan芯片、al2o3绝缘层、芯片加热器和热电偶。
6.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gan芯片实际工况下的环境温度，箱体门上的菜单键中间为电源键，四周上下左右键用于调节显示屏，显示屏依次可以显示环境温度、芯片温度、循环次数、循环时间，当输入设置完成以后，在显示屏上只显示环境温度和芯片的实时温度。
7.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gan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gan芯片。al2o3绝缘层位于gan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gan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。
8.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。
9.进一步地，硅脂用以将gan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。
10.进一步地，al2o3绝缘层位于gan芯片与芯片加热器之间通过胶接剂粘接到gan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gan芯片，以便更好地模拟实际工况。
11.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gan芯片加热到指定温度。
12.进一步地，芯片加热器8为芯片按预定程序设置进行加热。
13.一种可控温的gan芯片功率循环实验方法，包括：通过芯片加热器的螺旋状加热管使gan芯片表面更加均匀的受热升温；又通过在芯片加热器和gan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gan芯片的受热比之前更加均匀，以此方式更加切合地模拟gan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。
14.与现有技术相比，本发明提供的可控温的gan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螺旋状结构及al2o3绝缘层将芯片加热器所产生的热量均匀地传递到gan芯片表面，使实验更加真实准确地模拟gan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gan芯片的使用寿命及失效模式。
附图说明
15.图1a为本发明实施例的可控温的gan芯片功率循环实验装置的结构示意图。
16.图1b为本发明实施例的可控温的gan芯片功率循环实验装置的箱体门结构局部放大示意图。
17.图2a为本发明实施例的可控温的gan芯片功率循环实验装置的局部放大示意图。
18.图2b为本发明实施例的可控温的gan芯片功率循环实验装置的局部放大示意图。
19.图3a、图3b、图3c、图3d、图3e分别为本发明实施例的可控温的gan芯片功率循环实验装置的显示屏显示界面。
具体实施方式
20.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。
21.提供一种智能可控温的gan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，gan芯片6，al2o3绝缘层7，芯片加热器8，热电偶9、11，热电偶支架10、12，显示屏105，菜单键107，开关键106以及稳压电源。
22.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gan芯片6；所述al2o3绝缘层7置于gan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gan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所述热电偶支架11位于箱体底部中点位置，其上为热电偶12。
23.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，箱体门上按键107为电源开关键，按键106用于调节显示屏105。
24.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。
25.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。
26.所述冷却水箱4其作用是为gan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gan芯片6进行冷却降温的，在gan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gan芯片6进行快速降温，以达到加速实验的目的。
27.所述硅脂5是为gan芯片6提供更高的散热率，强化冷却水箱4的效果，使gan芯片6的热量更快地被冷却水箱4带走。
28.所述gan芯片6可以是氮化镓基的mosfet芯片。
29.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gan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。
30.所述芯片加热器8通电后可以迅速产生大量的热使gan芯片6达到指定温度并保持，并由于其螺旋状的结构，使gan芯片的受热更为均匀。之后gan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gan芯片6进行一次循环。
31.所述热电偶9的作用是对gan芯片6的温度进行实时测量。
32.所述热电偶支架10作用是固定热电偶9。
33.所述热电偶12的作用是对箱体内部环境温度进行实时测量。
34.所述热电偶支架11的作用是固定热电偶12。
35.所述可控温的gan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gan芯片6升温到指定温度，其中gan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gan芯片6表面，以更好地模拟实际gan芯片的工况；之后通过gan芯片6下部的冷却水箱4将gan芯片6的热量带走，给gan芯片6迅速降温，其中gan芯片6与冷却水箱4之间的硅脂5是为gan芯片6提供更高的散热率，强化冷却水箱4的效果，使gan芯片6的热量更快地被冷却水箱4带走。至此gan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，通过菜单键可以设定循环次数以及每个循环的时间，以此来对gan芯片进行加速寿命实验。特别的，由于芯片加热器8特别的螺旋状加热管以及al2o3绝缘层7的相互配合，使gan芯片的受热更加均匀，使实验更准确，数据更可靠。

技术特征：
1.一种智能可控温的gan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、gan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gan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gan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gan芯片；al2o3绝缘层位于gan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gan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所述的一种智能可控温的gan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，箱体门上菜单键设置该装置的环境温度、循环次数及循环时间。3.根据权利要求1所述的一种智能可控温的gan功率循环实验装置，其特征在于，硅脂用以将gan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所述的一种智能可控温的gan功率循环实验装置，其特征在于，al2o3绝缘层位于gan芯片与芯片加热器之间通过胶接剂粘接到gan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gan芯片模拟实际工况。5.根据权利要求1所述的一种智能可控温的gan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gan芯片加热到指定温度。6.根据权利要求1所述的一种智能可控温的gan功率循环实验装置，其特征在于，芯片加热器(8)由箱体门上菜单键进行控制加热，箱体与稳压电源连接。7.根据权利要求1所述的一种智能可控温的gan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螺旋状加热管使gan芯片表面更加均匀的受热升温；又通过在芯片加热器和gan芯片之间添加一层1微米的al2o3绝缘层分散热量的传递，使gan芯片的受热均匀，模拟gan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。

技术总结
本发明公开了一种智能可控温的GaN功率循环实验装置，该装置的主要功能是准确预测GaN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。通过箱体门上菜单键设置程序控制该装置加热冷却所需时间及循环次数，通过环境加热器为该装置内部提供恒定的环境温度，从而保证芯片功率测试在恒温环境下进行，通过芯片加热器来模拟GaN芯片工作时自身所产生的热量，通过冷却水箱来加速模拟GaN芯片冷却过程，从而完成一次功率循环，如此反复，实现芯片的功率循环测试，通过箱体门上显示屏观察装置内环境温度及芯片实时温度，通过箱体门上玻璃观察整个测试过程。玻璃观察整个测试过程。玻璃观察整个测试过程。


技术研发人员：代岩伟 王剑锋 昝智 秦飞
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.11.27
技术公布日：2022/3/8