功率半导体生命周期中的测试挑战

功率半导体器件的整个生命周期中需要进行各种测试和表征活动。在这个流程的每一个阶段，工程师面临着不同的测量挑战，从新功率器件早期设计阶段，到诊断故障及最终把器件推向市场。

在许多情况下，工程师发现他们的教育、培训和职业道路把自己引向了非常窄的专业领域。尽管他们可以在一两个领域中积累专家级知识，但他们很少能了解同行们在产品开发周期其他领域面临的测试和表征挑战。他们有时需要与其他工程师协作，在他们走出舒适区时，由于缺乏对这些挑战的了解，就会产生很多问题。

让我们从测试和表征的角度看一下功率半导体生命周期中都涉及了哪些挑战。

应用工程师与客户协作，他们一直要对设计进行压力测试，或者要扩展设计，实现最大效率。这些客户需要器件技术数据之外的细节。他们的要求一直在不断变化，因此要测量的项目可能每天都会变化。怎样才能迅速简便地进行测量，而又不会浪费时间重新学习软件或仪器呢？

对这类应用，非常重要的一点是要有一整套测试功能，包括脉冲、DC和C-V。采用器件专用词汇的软件（而不是仪器专用词汇）可以帮助简化测量。这些软件还可以简化多台源测量单元（SMU）仪器之间的交互，用户可以把重点放在被测器件上，而不是测量仪器上。

为使事情变得更简便，各厂商开始提供适用于SMU仪器的智能手机和平板电脑应用（图1），来执行I-V表征，包括2端子和3端子器件测试及趋势监测。这些应用可以互动分析和查看器件特点，而不需要编程。其应用包括各种材料、2端子和多端子半导体器件、太阳能电池和嵌入式系统上的电流相对于电压关系（I-V）测试。

图1. IVy 安卓应用与Keithley SMUs协作，执行I-V表征。

为有效设计满足客户最新要求的器件，功率器件设计工程师和工艺工程师必须了解怎样调整工艺，得到想要的器件性能。他们必须相信器件模型充分准确，改变特定工艺步骤必须在器件测量参数中产生必要的变化。因此，器件工程师必须对关键器件参数执行初步检验。

为帮助在更少的时间内把全面优化的器件带入市场，参数曲线示图仪现在配备了软件，可以迅速检验关键器件参数及器件特点，包括实时跟踪模式（图2），检查基础器件参数，如击穿电压；全面参数模式，提取精确的器件参数。除操作直观外，这些工具还包括大型器件程序库和内置公式工具，可以迅速把测量与器件参数关联起来。

图2. 跟踪模式可以全面表征器件。

表征工程师提供了必要的专业测量知识，并了解测量异常会给器件性能非目标领域带来什么样的影响。必须快速获得结果，以便器件工程师或工艺工程师能够反复操作，把测量数据迅速转换成器件参数。

测量高功率半导体器件的DC和电容参数要求足够的专业知识，优化各种测量的精度。即使对拥有这种专业知识的工程师，管理开点状态、关点状态和电容-电压（C-V）测量之间的设置变化仍可能会耗费大量时间，而且容易出错。

这些挑战在晶圆环境中尤其棘手。功率晶体管、FET或二极管的特性曲线包括其典型输出特点图。某些功率器件的输出特点可能会有几十到几百安培。因此，创建这些曲线要求高流仪器，如SMU （源测量单元）。在并行配置多个SMU时，它们会产生高达100A的脉冲电流，在管理线缆电阻和电感、以保证精确结果方面会产生相应的挑战。

在对功率半导体器件执行全面的DC I-V和C-V测试时，为减少遇到的问题，许多工程师采用高功率接口面板（图3），最大限度地减少主要测量类型之间的连接变化。可以通过T型偏置进行I-V和C-V测量，而不需改变连接，从而减少用户出错的机会。

图3. 高功率接口面板解决了晶圆器件测试的连接挑战。

［图示内容：］

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

Manages： 管理

Series resistors： 串联电阻器

High voltage bias tees： 高压T型偏置

Overvoltage protecTIon： 过压保护

Cabling differences between measurements： 测量之间的线缆差异

Connector interface to probe staTIons and fixtures： 连接器到探头站和夹具的接口

为让器件正确准备投产，生产测试工程师必须证明能否可靠地生产器件。必须收集测量数据，获得器件技术数据的统计结果；必须优化测试时间，满足要求的生产吞吐量。对这些应用，多功能仪器为迅速获得测量数据提供了最佳途径，并使连接变化和开关达到最小。

SMUs是经验证可以用于半导体应用的多功能仪器。增加测试脚本的SMU仪器可以改善吞吐量，因为其实现了紧密同步，内置复杂运算处理器，在仪器内部执行决策，从而最大限度地缩短了通信时间。SMUs仪器可以用于参数曲线示图仪配置中，实现交互测试及自动生产测试。其提供了自动软件（图4），同时融合了先进的半导体测试功能以及控制、数据报告和统计功能。

图4.测试软件把器件和测试与站点和子站对应起来，而不需要为每个子站重复每项测试，缩短了测试开发时间。

为确定器件满足商用可靠性标准，可靠性测试工程师担负着多项职责：

· 确定器件能否承受环境压力，持续满足规范

· 回答客户与器件生命周期有关的问题（MTBF， MTTF）

· 提供关键信息，确定器件是否适合特定的高可靠性应用，包括军事/国防、航空和汽车

创建统计相关结果要求足够的测试器件样本数量。对多个器件进行压力测量，要求多通道并行测试及自动评估数据。

综合测试系统一般用于这类应用，可进行定制，适应各种应用环境。这些系统使用软件控制，循环执行压力测量，制订综合决策。市场上有各种电源和SMU仪器解决方案，可以为任意数量的器件同时供电和进行测试。

在实际设计中实现器件

一旦验证了器件，就可以准备投入商用。用户必须检验器件位于应用的容限范围内，保证最终产品实现预计的功率效率。在器件成熟，从多家供应商供货时，功率器件消费者要迅速检测拿到的器件，识别和消除假冒产品，避免最终产品中潜在的问题。

这时使用的测试仪器有：为基本电路板供电的可编程电源，功率分析仪，配备功率分析模块及高压探头、电流探头和差分探头的示波器。功率分析仪用来评估整个最终产品性能。示波器可以分析开关损耗、谐波和安全操作区。

诊断器件故障

故障分析工程师必须确定故障是由最终产品使用引起的，还是由以前漏掉的设计问题引起的。一旦做出这种决定，那么在设计和工艺工程中必须知道故障原因，从而可以实施工艺变化或设计变化，防止将来再次出现故障。

能够迅速测量器件技术数据非常重要，包括静态数据和动态数据。要模仿最终应用，以复现故障。拥有跟踪模式的参数曲线示图仪可以执行这类分析工作。内置压力测试测量的软件工具可以复现导致器件性能劣化的情况。

从始至终，测试和测量在把新功率半导体器件带到市场，并使其适应客户应用，发现问题来源中发挥着重要作用。了解整个产品开发周期及各阶段的测试挑战有助于保证整个设计流程平滑运行。