功率半導體生命周期中的測試挑戰

功率半導體器件的整個生命周期中需要進行各種測試和表征活動。在這個流程的每一個階段，工程師面臨著不同的測量挑戰，從新功率器件早期設計階段，到診斷故障及最終把器件推向市場。

在許多情況下，工程師發現他們的教育、培訓和職業道路把自己引向了非常窄的專業領域。盡管他們可以在一兩個領域中積累專家級知識，但他們很少能了解同行們在產品開發周期其他領域面臨的測試和表征挑戰。他們有時需要與其他工程師協作，在他們走出舒適區時，由于缺乏對這些挑戰的了解，就會產生很多問題。

讓我們從測試和表征的角度看一下功率半導體生命周期中都涉及了哪些挑戰。

針對新應用評估現有器件

應用工程師與客戶協作，他們一直要對設計進行壓力測試，或者要擴展設計，實現最大效率。這些客戶需要器件技術數據之外的細節。他們的要求一直在不斷變化，因此要測量的項目可能每天都會變化。怎樣才能迅速簡便地進行測量，而又不會浪費時間重新學習軟件或儀器呢？

對這類應用，非常重要的一點是要有一整套測試功能，包括脈沖、DC和C-V。采用器件專用詞匯的軟件（而不是儀器專用詞匯）可以幫助簡化測量。這些軟件還可以簡化多臺源測量單元（SMU）儀器之間的交互，用戶可以把重點放在被測器件上，而不是測量儀器上。

為使事情變得更簡便，各廠商開始提供適用于SMU儀器的智能手機和平板電腦應用（圖1），來執行I-V表征，包括2端子和3端子器件測試及趨勢監測。這些應用可以互動分析和查看器件特點，而不需要編程。其應用包括各種材料、2端子和多端子半導體器件、太陽能電池和嵌入式系統上的電流相對于電壓關系（I-V）測試。

圖1. IVy 安卓應用與Keithley SMUs協作，執行I-V表征。

為不斷變化的需求設計器件

為有效設計滿足客戶最新要求的器件，功率器件設計工程師和工藝工程師必須了解怎樣調整工藝，得到想要的器件性能。他們必須相信器件模型充分準確，改變特定工藝步驟必須在器件測量參數中產生必要的變化。因此，器件工程師必須對關鍵器件參數執行初步檢驗。

為幫助在更少的時間內把全面優化的器件帶入市場，參數曲線示圖儀現在配備了軟件，可以迅速檢驗關鍵器件參數及器件特點，包括實時跟蹤模式（圖2），檢查基礎器件參數，如擊穿電壓；全面參數模式，提取精確的器件參數。除操作直觀外，這些工具還包括大型器件程序庫和內置公式工具，可以迅速把測量與器件參數關聯起來。

圖2. 跟蹤模式可以全面表征器件。

表征性能

表征工程師提供了必要的專業測量知識，并了解測量異常會給器件性能非目標領域帶來什么樣的影響。必須快速獲得結果，以便器件工程師或工藝工程師能夠反復操作，把測量數據迅速轉換成器件參數。

測量高功率半導體器件的DC和電容參數要求足夠的專業知識，優化各種測量的精度。即使對擁有這種專業知識的工程師，管理開點狀態、關點狀態和電容-電壓（C-V）測量之間的設置變化仍可能會耗費大量時間，而且容易出錯。

這些挑戰在晶圓環境中尤其棘手。功率晶體管、FET或二極管的特性曲線包括其典型輸出特點圖。某些功率器件的輸出特點可能會有幾十到幾百安培。因此，創建這些曲線要求高流儀器，如SMU （源測量單元）。在并行配置多個SMU時，它們會產生高達100A的脈沖電流，在管理線纜電阻和電感、以保證精確結果方面會產生相應的挑戰。

在對功率半導體器件執行全面的DC I-V和C-V測試時，為減少遇到的問題，許多工程師采用高功率接口面板（圖3），最大限度地減少主要測量類型之間的連接變化?？梢酝ㄟ^T型偏置進行I-V和C-V測量，而不需改變連接，從而減少用戶出錯的機會。

圖3. 高功率接口面板解決了晶圓器件測試的連接挑戰。

［圖示內容：］

Model 8020 High Power Interface Panel： Model 8020高功率接口面板

Manages： 管理

Series resistors： 串聯電阻器

High voltage bias tees： 高壓T型偏置

Overvoltage protection： 過壓保護

Cabling differences between measurements： 測量之間的線纜差異

Connector interface to probe stations and fixtures： 連接器到探頭站和夾具的接口

器件準備投產

為讓器件正確準備投產，生產測試工程師必須證明能否可靠地生產器件。必須收集測量數據，獲得器件技術數據的統計結果；必須優化測試時間，滿足要求的生產吞吐量。對這些應用，多功能儀器為迅速獲得測量數據提供了最佳途徑，并使連接變化和開關達到最小。

SMUs是經驗證可以用于半導體應用的多功能儀器。增加測試腳本的SMU儀器可以改善吞吐量，因為其實現了緊密同步，內置復雜運算處理器，在儀器內部執行決策，從而最大限度地縮短了通信時間。SMUs儀器可以用于參數曲線示圖儀配置中，實現交互測試及自動生產測試。其提供了自動軟件（圖4），同時融合了先進的半導體測試功能以及控制、數據報告和統計功能。

圖4.測試軟件把器件和測試與站點和子站對應起來，而不需要為每個子站重復每項測試，縮短了測試開發時間。

滿足可靠性標準

為確定器件滿足商用可靠性標準，可靠性測試工程師擔負著多項職責：

· 確定器件能否承受環境壓力，持續滿足規范

· 回答客戶與器件生命周期有關的問題（MTBF， MTTF）

· 提供關鍵信息，確定器件是否適合特定的高可靠性應用，包括軍事/國防、航空和汽車

創建統計相關結果要求足夠的測試器件樣本數量。對多個器件進行壓力測量，要求多通道并行測試及自動評估數據。

綜合測試系統一般用于這類應用，可進行定制，適應各種應用環境。這些系統使用軟件控制，循環執行壓力測量，制訂綜合決策。市場上有各種電源和SMU儀器解決方案，可以為任意數量的器件同時供電和進行測試。

在實際設計中實現器件

一旦驗證了器件，就可以準備投入商用。用戶必須檢驗器件位于應用的容限范圍內，保證最終產品實現預計的功率效率。在器件成熟，從多家供應商供貨時，功率器件消費者要迅速檢測拿到的器件，識別和消除假冒產品，避免最終產品中潛在的問題。

這時使用的測試儀器有：為基本電路板供電的可編程電源，功率分析儀，配備功率分析模塊及高壓探頭、電流探頭和差分探頭的示波器。功率分析儀用來評估整個最終產品性能。示波器可以分析開關損耗、諧波和安全操作區。

診斷器件故障

故障分析工程師必須確定故障是由最終產品使用引起的，還是由以前漏掉的設計問題引起的。一旦做出這種決定，那么在設計和工藝工程中必須知道故障原因，從而可以實施工藝變化或設計變化，防止將來再次出現故障。

能夠迅速測量器件技術數據非常重要，包括靜態數據和動態數據。要模仿最終應用，以復現故障。擁有跟蹤模式的參數曲線示圖儀可以執行這類分析工作。內置壓力測試測量的軟件工具可以復現導致器件性能劣化的情況。

小結

從始至終，測試和測量在把新功率半導體器件帶到市場，并使其適應客戶應用，發現問題來源中發揮著重要作用。了解整個產品開發周期及各階段的測試挑戰有助于保證整個設計流程平滑運行。

本文選自電子發燒友八月主題月技術供稿，轉載請注明出處

關于本文作者

Wilson Lee現任泰克科技公司高級市場經理。在加入泰克科技公司之前，Wilson擁有超過25年的專業經驗，先后擔任技術市場、技術銷售主管等職位，如CTS電子元器件公司等制造商，以及Richardson RFPD和Premier Farnell等技術/增值分銷商。Wilson一直專注于RF/無線、工控電源、工控自動化等細分市場內部的設計工作。

Wilson從康奈爾大學獲得理學學士學位。While在從業期間先后居住在紐約、芝加哥和亞洲，目前常住美國俄勒岡州大波特蘭。