在將新的高功率半導(dǎo)體器件用于工業(yè)應(yīng)用之前，必須對(duì)其進(jìn)行徹底測試，以確定它是否能夠承受環(huán)境壓力并繼續(xù)滿足規(guī)格要求。對(duì)于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等最新的寬帶隙半導(dǎo)體材料而言尤其如此，以確保它們能夠承受高壓和高溫。

新的應(yīng)用領(lǐng)域通常意味著設(shè)備必須能夠承受惡劣的環(huán)境條件。例如，在汽車牽引力控制系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)的冷卻液溫度可能高達(dá) 120 °C。為了提供足夠的裕量，最大結(jié)溫 (TJMAX) 必須增加到 150 至 175 °C 左右。在飛機(jī)等安全關(guān)鍵應(yīng)用中，零缺陷的概念正在被采用，以幫助滿足更嚴(yán)格的可靠性要求。

V DS斜坡和高溫反向偏置 (HTRB) 測試是在一系列條件下評(píng)估這些功率器件可靠性的最常見測試之一。

在 V DS斜坡測試中，漏源電壓從低電壓逐步或斜坡上升到高于額定最大漏源電壓的電壓，并評(píng)估指定的器件參數(shù)。此測試可用于調(diào)整設(shè)計(jì)和工藝條件，以及驗(yàn)證設(shè)備是否提供預(yù)期性能。例如，使用 V DS斜坡測試監(jiān)控的動(dòng)態(tài) RDS(ON)提供了對(duì)器件在受到漏極偏壓后導(dǎo)通電阻增加多少的測量，而 Vb 或最大 V 額定值是在器件關(guān)閉時(shí)執(zhí)行的并且漏極電壓上升。V DS斜坡測試通常用作參數(shù)驗(yàn)證的快速形式。

另一方面，HTRB 測試評(píng)估高漏源偏壓下的長期穩(wěn)定性。在 HTRB 測試過程中，器件樣品在接近其最大 TJMAX 的環(huán)境溫度下長時(shí)間（通常為 1,000 小時(shí)）承受最大額定反向擊穿電壓或略低于最大額定反向擊穿電壓的壓力。在 HTRB 測試中，泄漏電流在整個(gè)測試過程中都受到持續(xù)監(jiān)控，通常需要相當(dāng)恒定的泄漏電流才能通過測試。由于它結(jié)合了電應(yīng)力和熱應(yīng)力，因此該測試可用于檢查結(jié)完整性、晶體缺陷和離子污染水平，從而揭示器件邊緣和鈍化中場耗盡結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)或退化效應(yīng)。

功率器件表征和可靠性測試需要具有高壓敏感電流測量功能的測試儀器。在操作期間，設(shè)備會(huì)承受電應(yīng)力和熱應(yīng)力。當(dāng)處于 ON 狀態(tài)時(shí)，它們必須以最小的損耗（低電壓、高電流）通過數(shù)十或數(shù)百安培。當(dāng)它們關(guān)閉時(shí)，它們必須以最小的泄漏電流（高電壓、低電流）阻斷數(shù)千伏電壓。此外，在開關(guān)瞬態(tài)期間，它們會(huì)承受短暫的高電壓和高電流。導(dǎo)通狀態(tài)期間經(jīng)歷的高電流會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不能有效散熱，可能會(huì)降低器件的可靠性。

成功測試的因素

可靠性測試通常涉及高電壓、長測試時(shí)間，并且通常涉及多個(gè)被測設(shè)備，例如晶圓級(jí)測試。這意味著精心設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)和測量計(jì)劃對(duì)于避免損壞設(shè)備、損壞設(shè)備和丟失測試數(shù)據(jù)至關(guān)重要。以下是成功進(jìn)行 V DS斜坡和 HTRB 可靠性測試時(shí)需要考慮的一些因素。

設(shè)備連接——當(dāng)測試具有公共漏極的垂直設(shè)備時(shí)，設(shè)備和測試儀器之間的正確連接——通常是一個(gè)或多個(gè)帶有中央軟件控制的源測量單元 (SMU)——需要在單個(gè)設(shè)備故障的情況下防止應(yīng)力終止測試。如圖 1a 所示，在測試單個(gè)器件時(shí)，可以在漏極施加電壓僅用于 V DS應(yīng)力和測量，每個(gè)器件只需要一個(gè) SMU。或者，如圖 1b 所示，每個(gè)柵極和源極都可以連接到 SMU，以便更好地控制測量所有端子的電流，從而擴(kuò)展 V DS的范圍應(yīng)力，并在柵極上設(shè)置電壓以模擬實(shí)際電路情況。請(qǐng)注意，與晶圓測試相比，封裝部件的最終或功能測試更簡單。

電流限制控制——需要電流限制來允許在擊穿時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以避免損壞探針卡和設(shè)備。發(fā)生擊穿時(shí)，建議不要讓高電平限制電流流向該特定設(shè)備，因?yàn)樵谳^長時(shí)間內(nèi)，高電平電流實(shí)際上會(huì)熔化探針卡尖端并損壞設(shè)備。因此，可靠性測試解決方案應(yīng)包括動(dòng)態(tài)限制更改功能，允許電流限制隨預(yù)定設(shè)置而變化。限值通常設(shè)置為被測電流的倍數(shù)，在某些情況下，電流應(yīng)降低三個(gè)數(shù)量級(jí)，這相當(dāng)于功率降低 106 倍。

應(yīng)力控制——必須很好地控制高壓應(yīng)力，以避免器件承受過大的壓力，這可能會(huì)導(dǎo)致意外的器件損壞。此外，用戶應(yīng)該可以提前終止測試，而不會(huì)有丟失已獲取數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。軟偏置/中止功能允許強(qiáng)制電壓或電流通過在應(yīng)力開始或結(jié)束時(shí)逐漸斜坡上升，或在中止測試時(shí)達(dá)到所需值，而不是突然改變。

數(shù)據(jù)管理 -由于涉及的時(shí)間長和多設(shè)備測試，有效的數(shù)據(jù)收集對(duì)于容納大型數(shù)據(jù)集至關(guān)重要。控制數(shù)據(jù)量的一種方法是僅記錄對(duì)手頭任務(wù)重要的數(shù)據(jù)。例如，數(shù)據(jù)點(diǎn)可能僅在當(dāng)前偏移與先前記錄的數(shù)據(jù)相比超過指定百分比時(shí)，或者當(dāng)當(dāng)前高于指定噪聲水平時(shí)才被記錄。