功率半導(dǎo)體賽道火熱，尤其受到電動(dòng)汽車與能源行業(yè)的熱烈追捧。那么，如何確保功率半導(dǎo)體的性能呢？關(guān)鍵在于精準(zhǔn)測試。NI將在SEMICON（NI 展位號：N4館N4356）展示其最新功率半導(dǎo)體測試方案，現(xiàn)場還可與SET技術(shù)工程師交流。

WBG半導(dǎo)體可靠度測試H3TRB專區(qū)

對于H3TRB動(dòng)態(tài)測試，SET提供的系統(tǒng)可將行業(yè)的擴(kuò)展要求轉(zhuǎn)化為自動(dòng)動(dòng)態(tài)測試。系統(tǒng)特別注重靈活性，以便能夠快速滿足不斷變化的要求。

測試類型

動(dòng)態(tài) H3TRB/ DRB 測試系統(tǒng)

測量技術(shù)

◆每個(gè)系統(tǒng)80-240個(gè)被測設(shè)備（80個(gè)被測設(shè)備1個(gè)高壓電源）

◆0V至1500V；4A，用于80DUT

◆單個(gè)DUT泄漏電流測量（靜態(tài)H3TRB期間）

80個(gè)測量通道

◆通過關(guān)閉開關(guān)提供單個(gè)DUT過流保護(hù)

基于硬件的單個(gè)DUT快速關(guān)斷，應(yīng)力階段為65mA±20%，讀出階段為650μA±20

◆單DUT電壓控制

主動(dòng)電壓控制可將負(fù)載電壓補(bǔ)償至<±0.5V

動(dòng)態(tài)測試輸出級

◆最大輸出電壓高達(dá)1500V

◆輸出頻率可在0Hz至500kHz之間配置（最大頻率取決于電壓和DUT電容）

◆占空比在25%至75%之間可變，每5%為一檔

軟件和測試程序

◆全自動(dòng)測試程序

◆測量數(shù)據(jù)保存在tdms文件中

◆基于NILabVIEW和TestStand的軟件

安全

◆用軟件連接和評估試驗(yàn)箱的外部安全鎖

◆高壓插頭連接的安全電壓監(jiān)控

◆高壓供電設(shè)備的安全釋放

最新一代功率半導(dǎo)體SiC憑借其在禁帶寬度和熱導(dǎo)率等方面的優(yōu)勢，成功擊中高功率高能效應(yīng)用需求。SiC測試有何挑戰(zhàn)與應(yīng)對方法？以下技術(shù)文章介紹了使用動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力(Dynamic Gate Stress, DGS)測試過程對基于SiC的功率半導(dǎo)體進(jìn)行新型可靠性測試的意義。相信您看完會受到啟發(fā)。

文章作者：艾默生測試與測量業(yè)務(wù)集團(tuán)-NI旗下公司SET GmbH半導(dǎo)體研究主管  Gabriel Lieser

碳化硅(SiC)組件擁有眾多技術(shù)優(yōu)勢，適用于要求嚴(yán)格的應(yīng)用。但硅(Si)組件和SiC組件之間存在結(jié)構(gòu)差異，該差異會影響可靠性測試。

SiC（碳化硅）因其諸多出色性能成為半導(dǎo)體市場的重要材料。SiC的電氣擊穿電壓高于硅，因此可以提升組件的性能和效率。SiC還支持在更高溫度下運(yùn)行，這樣更有利于散熱，并可在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更出色的性能。由于SiC具有高導(dǎo)熱性，使組件在嚴(yán)苛條件下也可高效運(yùn)行。SiC組件的高開關(guān)頻率支持更小巧輕便的設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)作為主要優(yōu)勢使其可用于眾多應(yīng)用。得益于上述特性，SiC涉及的應(yīng)用行業(yè)日益廣泛，如電動(dòng)汽車、可再生能源、工業(yè)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和航空航天。

SiC功率半導(dǎo)體需要新的可靠性測試

盡管SiC的應(yīng)用前景廣闊，但仍需要針對基于SiC的新組件開發(fā)特定的可靠性測試。由于SiC和硅之間存在結(jié)構(gòu)差異，無法使用現(xiàn)有的硅組件測試方法和假設(shè)條件。SiC的晶體結(jié)構(gòu)與硅不同，因此具有不同的電學(xué)和熱學(xué)性能。如果忽略這些差異，則可能無法檢測組件的潛在生命周期或性能弱點(diǎn)。本文介紹了使用動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力(Dynamic Gate Stress, DGS)測試過程對基于SiC的功率半導(dǎo)體進(jìn)行新型可靠性測試的意義。

DGS測試主要用于SiC-FET（場效應(yīng)晶體管）。在測試過程中，向DUT（待測設(shè)備）的柵極以方波信號形式施加應(yīng)力信號，該信號使用DUT的最大和最小柵極電壓。應(yīng)力循環(huán)期間，采用主動(dòng)溫度控制將DUT調(diào)整至所需的應(yīng)力溫度。按照規(guī)定時(shí)間間隔暫停施加應(yīng)力，以測量DUT的柵極閾值電壓和RDSon。

對于寬帶隙半導(dǎo)體測試過程，動(dòng)態(tài)應(yīng)力法和靜態(tài)應(yīng)力法之間存在顯著差異。本文所述的測試過程采用SET GmbH的測試系統(tǒng)。使用該測試裝置對測試規(guī)范做出準(zhǔn)確解釋，并將測量結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行比較。正確的測量過程對獲得可靠且可重復(fù)的測量結(jié)果同樣重要。測試相關(guān)內(nèi)容可參考ECPE（歐洲電力電子中心）指南AQG 324，其中為歐洲SiC組件的新測試過程提供了實(shí)踐規(guī)范和指南。

動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力(DGS)測試：功能原理和測量過程

在DGS測試過程中，F(xiàn)ET將其漏極和源極接點(diǎn)處連接至地電位，并在其柵極接點(diǎn)處施加應(yīng)力（圖1）。施加的應(yīng)力信號定義請參見AQG324指南。應(yīng)力信號參數(shù)如下：方波信號的幅值是所需DUT規(guī)格所允許的最大負(fù)電壓和正電壓。DUT的上升時(shí)間（dV/dt）應(yīng)為1V/ns左右，應(yīng)力頻率應(yīng)大于或等于50 kHz，占空比范圍為20%至80%。

圖1：DGS測試的測試設(shè)置：左側(cè)為應(yīng)力電路，右側(cè)為測量電路。

應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間由頻率決定，因此頻率越高測試時(shí)間越短。根據(jù)指南AQG324的規(guī)定，應(yīng)力持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于10^11個(gè)周期。測試溫度應(yīng)主動(dòng)調(diào)節(jié)且嚴(yán)格控制在25 °C。

作為該測試過程的一部分，在全自動(dòng)應(yīng)力暫停期間對柵極閾值電壓和RDSon電阻進(jìn)行測量。精確測量和適當(dāng)預(yù)處理在測試過程中非常重要。預(yù)處理用于確保每次測量時(shí)測試對象的條件相同，從而保證測量結(jié)果具有可比性。本文中的指南AQG引用了JEDEC指南JEP184，其中介紹了正確的測量過程。柵極定義電壓應(yīng)與建議的柵極-源極有效電壓或允許的最大/最小柵極-源極電壓相對應(yīng)。

常見的預(yù)處理時(shí)間為100ms，但有時(shí)也會明顯延長。預(yù)處理完成后，應(yīng)快速測量柵極閾值電壓，根據(jù)指南建議測量應(yīng)在10ms內(nèi)進(jìn)行。此處所示的示波器記錄結(jié)果由SETGmbH的DGS系統(tǒng)完成，用于說明測量過程。

圖2中的曲線與柵極信號相對應(yīng)。開始時(shí)，可以觀察到300kHz下-10V~+22V 的應(yīng)力施加階段，隨后在測量過程開始時(shí)暫停。

測量過程從+22V預(yù)處理脈沖開始，該脈沖持續(xù)100ms。隨后，柵極電壓以非常小的步長持續(xù)變化。在測試階段，將測量漏極電流Idrain并將其設(shè)置為特定值，例如20mA。由于FET已打開，因此在“Vth(down)”測試階段開始時(shí)，有20mA電流流過。一旦柵極電壓接近閾值電壓，F(xiàn)ET就會緩慢關(guān)閉，之前可完全通過FET的電流會緩慢減小。當(dāng)Idrain電流達(dá)到定義值（例如10mA）時(shí)，柵極電壓保存為Vth(down)。對電壓負(fù)值區(qū)域重復(fù)相同的測量步驟：最小柵極電壓-10V持續(xù)100ms。 然后柵極電壓逐漸增加，在10mA處保存Vth(up)電壓。

圖2：測量期間DGS系統(tǒng)的柵極信號

Vth測量完成后，測量測試對象的Rds(on)電阻。為此，在漏極和源極之間產(chǎn)生可調(diào)電流脈沖。通過測量漏極和源極之間的電壓降來確定Rds(on)電阻。完成這些測量后，繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力測試。可靠實(shí)施該過程對準(zhǔn)確表征SiC半導(dǎo)體在應(yīng)力下的行為并保障其可靠性至關(guān)重要。

DGS測量結(jié)果與靜態(tài)測量結(jié)果的比較

為評估DGS測試的必要性并將其與傳統(tǒng)靜態(tài)測試過程進(jìn)行比較，進(jìn)行了大量比較試驗(yàn)。使用RDSon為80mΩ的常規(guī)1200V SiC MOSFET為測試對象。該過程使用的MOSFET均為最新一代產(chǎn)品，目前已在公開市場上銷售。使用數(shù)據(jù)表中在100kHz應(yīng)力頻率和50%占空比下的最大建議柵極電壓作為以下測試的應(yīng)力參數(shù)。整個(gè)測試過程均在穩(wěn)定的25 °C實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。

對所得數(shù)據(jù)的分析表明，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試過程之間存在巨大差異（圖3）。

圖3：動(dòng)態(tài)和靜態(tài)柵極應(yīng)力測量結(jié)果的比較

根據(jù)圖形可知二者差異顯著，特別在柵極閾值電壓漂移方面。動(dòng)態(tài)測試中，經(jīng)過300千兆周期后，柵極閾值電壓出現(xiàn)大于4V的明顯漂移。而靜態(tài)測試中未觀察到這種漂移效應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的漂移約為0.5 V，而動(dòng)態(tài)測試中的漂移較正常值高出7倍。對于多數(shù)電路而言，這種電壓升高可能會導(dǎo)致性能顯著下降甚至電路故障。SET GmbH在動(dòng)態(tài)測試中多次識別到這些偏差； 但在靜態(tài)測試中未發(fā)現(xiàn)此類漂移。

此外，進(jìn)一步研究了柵極閾值電壓的變化與RDSon電阻之間的關(guān)系。圖4則基于圖3中第一次測試的測量結(jié)果，明確說明了閾值電壓漂移和RDSon電阻之間的關(guān)系?？梢约僭O(shè)，當(dāng)柵極閾值電壓發(fā)生漂移時(shí)，RDSon電阻也會根據(jù)組件的特性數(shù)據(jù)曲線而變化。這一關(guān)系會在運(yùn)行過程中影響組件效率，因此，也會對電動(dòng)汽車行駛里程等實(shí)際應(yīng)用造成影響。根據(jù)測試期間的連續(xù)測量結(jié)果來估計(jì)工作條件下的具體影響。

圖4：DUT的閾值電壓與Rds(on)電阻之間的相關(guān)性

為不斷加深對SiC功率半導(dǎo)體現(xiàn)象的理解，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)一步發(fā)展DGS測試和所有其他動(dòng)態(tài)測試過程。特別是對于長期分析的建模，應(yīng)收集盡可能多的數(shù)據(jù)，以便開發(fā)可靠的功率半導(dǎo)體來應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。