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

WBG半導體可靠度測試H3TRB專區(qū)

對于H3TRB動態(tài)測試，SET提供的系統(tǒng)可將行業(yè)的擴展要求轉(zhuǎn)化為自動動態(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

動態(tài) H3TRB/ DRB 測試系統(tǒng)

測量技術

◆每個系統(tǒng)80-240個被測設備（80個被測設備1個高壓電源）

◆0V至1500V；4A，用于80DUT

◆單個DUT泄漏電流測量（靜態(tài)H3TRB期間）

80個測量通道

◆通過關閉開關提供單個DUT過流保護

基于硬件的單個DUT快速關斷，應力階段為65mA±20%，讀出階段為650μA±20

◆單DUT電壓控制

主動電壓控制可將負載電壓補償至<±0.5V

動態(tài)測試輸出級

◆最大輸出電壓高達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

◆高壓供電設備的安全釋放

最新一代功率半導體SiC憑借其在禁帶寬度和熱導率等方面的優(yōu)勢，成功擊中高功率高能效應用需求。SiC測試有何挑戰(zhàn)與應對方法？以下技術文章介紹了使用動態(tài)柵極應力(Dynamic Gate Stress, DGS)測試過程對基于SiC的功率半導體進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)務集團-NI旗下公司SET GmbH半導體研究主管  Gabriel Lieser

碳化硅(SiC)組件擁有眾多技術優(yōu)勢，適用于要求嚴格的應用。但硅(Si)組件和SiC組件之間存在結構差異，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行，這樣更有利于散熱，并可在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更出色的性能。由于SiC具有高導熱性，使組件在嚴苛條件下也可高效運行。SiC組件的高開關頻率支持更小巧輕便的設計，這一點作為主要優(yōu)勢使其可用于眾多應用。得益于上述特性，SiC涉及的應用行業(yè)日益廣泛，如電動汽車、可再生能源、工業(yè)驅(qū)動技術和航空航天。

SiC功率半導體需要新的可靠性測試

盡管SiC的應用前景廣闊，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和硅之間存在結構差異，無法使用現(xiàn)有的硅組件測試方法和假設條件。SiC的晶體結構與硅不同，因此具有不同的電學和熱學性能。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。本文介紹了使用動態(tài)柵極應力(Dynamic Gate Stress, DGS)測試過程對基于SiC的功率半導體進行新型可靠性測試的意義。

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

對于寬帶隙半導體測試過程，動態(tài)應力法和靜態(tài)應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)范做出準確解釋，并將測量結果與實際應用進行比較。正確的測量過程對獲得可靠且可重復的測量結果同樣重要。測試相關內(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踐規(guī)范和指南。

動態(tài)柵極應力(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處連接至地電位，并在其柵極接點處施加應力（圖1）。施加的應力信號定義請參見AQG324指南。應力信號參數(shù)如下：方波信號的幅值是所需DUT規(guī)格所允許的最大負電壓和正電壓。DUT的上升時間（dV/dt）應為1V/ns左右，應力頻率應大于或等于50 kHz，占空比范圍為20%至80%。

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

應力的持續(xù)時間由頻率決定，因此頻率越高測試時間越短。根據(jù)指南AQG324的規(guī)定，應力持續(xù)時間應不小于10^11個周期。測試溫度應主動調(diào)節(jié)且嚴格控制在25 °C。

作為該測試過程的一部分，在全自動應力暫停期間對柵極閾值電壓和RDSon電阻進行測量。精確測量和適當預處理在測試過程中非常重要。預處理用于確保每次測量時測試對象的條件相同，從而保證測量結果具有可比性。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。

常見的預處理時間為100ms，但有時也會明顯延長。預處理完成后，應快速測量柵極閾值電壓，根據(jù)指南建議測量應在10ms內(nèi)進行。此處所示的示波器記錄結果由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。開始時，可以觀察到300kHz下-10V~+22V 的應力施加階段，隨后在測量過程開始時暫停。

測量過程從+22V預處理脈沖開始，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，有20mA電流流過。一旦柵極電壓接近閾值電壓，F(xiàn)ET就會緩慢關閉，之前可完全通過FET的電流會緩慢減小。當Idrain電流達到定義值（例如10mA）時，柵極電壓保存為Vth(down)。對電壓負值區(qū)域重復相同的測量步驟：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)進行動態(tài)柵極應力測試。可靠實施該過程對準確表征SiC半導體在應力下的行為并保障其可靠性至關重要。

DGS測量結果與靜態(tài)測量結果的比較

為評估DGS測試的必要性并將其與傳統(tǒng)靜態(tài)測試過程進行比較，進行了大量比較試驗。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力參數(shù)。整個測試過程均在穩(wěn)定的25 °C實驗室條件下進行。

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

圖3：動態(tài)和靜態(tài)柵極應力測量結果的比較

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。標準MOSFET的漂移約為0.5 V，而動態(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致性能顯著下降甚至電路故障。SET GmbH在動態(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，進一步研究了柵極閾值電壓的變化與RDSon電阻之間的關系。圖4則基于圖3中第一次測試的測量結果，明確說明了閾值電壓漂移和RDSon電阻之間的關系。可以假設，當柵極閾值電壓發(fā)生漂移時，RDSon電阻也會根據(jù)組件的特性數(shù)據(jù)曲線而變化。這一關系會在運行過程中影響組件效率，因此，也會對電動汽車行駛里程等實際應用造成影響。根據(jù)測試期間的連續(xù)測量結果來估計工作條件下的具體影響。

圖4：DUT的閾值電壓與Rds(on)電阻之間的相關性

為不斷加深對SiC功率半導體現(xiàn)象的理解，應繼續(xù)進一步發(fā)展DGS測試和所有其他動態(tài)測試過程。特別是對于長期分析的建模，應收集盡可能多的數(shù)據(jù)，以便開發(fā)可靠的功率半導體來應對未來的挑戰(zhàn)。