功率半導(dǎo)體生命周期中的測試挑戰(zhàn)

功率半導(dǎo)體器件的整個(gè)生命周期中需要進(jìn)行各種測試和表征活動。在這個(gè)流程的每一個(gè)階段，工程師面臨著不同的測量挑戰(zhàn)，從新功率器件早期設(shè)計(jì)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(fā)現(xiàn)他們的教育、培訓(xùn)和職業(yè)道路把自己引向了非常窄的專業(yè)領(lǐng)域。盡管他們可以在一兩個(gè)領(lǐng)域中積累專家級知識，但他們很少能了解同行們在產(chǎn)品開發(fā)周期其他領(lǐng)域面臨的測試和表征挑戰(zhàn)。他們有時(shí)需要與其他工程師協(xié)作，在他們走出舒適區(qū)時(shí)，由于缺乏對這些挑戰(zhàn)的了解，就會產(chǎn)生很多問題。

讓我們從測試和表征的角度看一下功率半導(dǎo)體生命周期中都涉及了哪些挑戰(zhàn)。

應(yīng)用工程師與客戶協(xié)作，他們一直要對設(shè)計(jì)進(jìn)行壓力測試，或者要擴(kuò)展設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最大效率。這些客戶需要器件技術(shù)數(shù)據(jù)之外的細(xì)節(jié)。他們的要求一直在不斷變化，因此要測量的項(xiàng)目可能每天都會變化。怎樣才能迅速簡便地進(jìn)行測量，而又不會浪費(fèi)時(shí)間重新學(xué)習(xí)軟件或儀器呢？

對這類應(yīng)用，非常重要的一點(diǎn)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(diǎn)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(jī)和平板電腦應(yīng)用（圖1），來執(zhí)行I-V表征，包括2端子和3端子器件測試及趨勢監(jiān)測。這些應(yīng)用可以互動分析和查看器件特點(diǎn)，而不需要編程。其應(yīng)用包括各種材料、2端子和多端子半導(dǎo)體器件、太陽能電池和嵌入式系統(tǒng)上的電流相對于電壓關(guān)系（I-V）測試。

圖1. IVy 安卓應(yīng)用與Keithley SMUs協(xié)作，執(zhí)行I-V表征。

為有效設(shè)計(jì)滿足客戶最新要求的器件，功率器件設(shè)計(jì)工程師和工藝工程師必須了解怎樣調(diào)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(zhǔn)確，改變特定工藝步驟必須在器件測量參數(shù)中產(chǎn)生必要的變化。因此，器件工程師必須對關(guān)鍵器件參數(shù)執(zhí)行初步檢驗(yàn)。

為幫助在更少的時(shí)間內(nèi)把全面優(yōu)化的器件帶入市場，參數(shù)曲線示圖儀現(xiàn)在配備了軟件，可以迅速檢驗(yàn)關(guān)鍵器件參數(shù)及器件特點(diǎn)，包括實(shí)時(shí)跟蹤模式（圖2），檢查基礎(chǔ)器件參數(shù)，如擊穿電壓；全面參數(shù)模式，提取精確的器件參數(shù)。除操作直觀外，這些工具還包括大型器件程序庫和內(nèi)置公式工具，可以迅速把測量與器件參數(shù)關(guān)聯(lián)起來。

圖2. 跟蹤模式可以全面表征器件。

表征工程師提供了必要的專業(yè)測量知識，并了解測量異常會給器件性能非目標(biāo)領(lǐng)域帶來什么樣的影響。必須快速獲得結(jié)果，以便器件工程師或工藝工程師能夠反復(fù)操作，把測量數(shù)據(jù)迅速轉(zhuǎn)換成器件參數(shù)。

測量高功率半導(dǎo)體器件的DC和電容參數(shù)要求足夠的專業(yè)知識，優(yōu)化各種測量的精度。即使對擁有這種專業(yè)知識的工程師，管理開點(diǎn)狀態(tài)、關(guān)點(diǎn)狀態(tài)和電容-電壓（C-V）測量之間的設(shè)置變化仍可能會耗費(fèi)大量時(shí)間，而且容易出錯(cuò)。

這些挑戰(zhàn)在晶圓環(huán)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(diǎn)圖。某些功率器件的輸出特點(diǎn)可能會有幾十到幾百安培。因此，創(chuàng)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(gè)SMU時(shí)，它們會產(chǎn)生高達(dá)100A的脈沖電流，在管理線纜電阻和電感、以保證精確結(jié)果方面會產(chǎn)生相應(yīng)的挑戰(zhàn)。

在對功率半導(dǎo)體器件執(zhí)行全面的DC I-V和C-V測試時(shí)，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。可以通過T型偏置進(jìn)行I-V和C-V測量，而不需改變連接，從而減少用戶出錯(cuò)的機(jī)會。

圖3. 高功率接口面板解決了晶圓器件測試的連接挑戰(zhàn)。

［圖示內(nèi)容：］

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

Manages： 管理

Series resistors： 串聯(lián)電阻器

High voltage bias tees： 高壓T型偏置

Overvoltage protecTIon： 過壓保護(hù)

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

為讓器件正確準(zhǔn)備投產(chǎn)，生產(chǎn)測試工程師必須證明能否可靠地生產(chǎn)器件。必須收集測量數(shù)據(jù)，獲得器件技術(shù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；必須優(yōu)化測試時(shí)間，滿足要求的生產(chǎn)吞吐量。對這些應(yīng)用，多功能儀器為迅速獲得測量數(shù)據(jù)提供了最佳途徑，并使連接變化和開關(guān)達(dá)到最小。

SMUs是經(jīng)驗(yàn)證可以用于半導(dǎo)體應(yīng)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?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)了緊密同步，內(nèi)置復(fù)雜運(yùn)算處理器，在儀器內(nèi)部執(zhí)行決策，從而最大限度地縮短了通信時(shí)間。SMUs儀器可以用于參數(shù)曲線示圖儀配置中，實(shí)現(xiàn)交互測試及自動生產(chǎn)測試。其提供了自動軟件（圖4），同時(shí)融合了先進(jìn)的半導(dǎo)體測試功能以及控制、數(shù)據(jù)報(bào)告和統(tǒng)計(jì)功能。

圖4.測試軟件把器件和測試與站點(diǎn)和子站對應(yīng)起來，而不需要為每個(gè)子站重復(fù)每項(xiàng)測試，縮短了測試開發(fā)時(shí)間。

為確定器件滿足商用可靠性標(biāo)準(zhǔn)，可靠性測試工程師擔(dān)負(fù)著多項(xiàng)職責(zé)：

· 確定器件能否承受環(huán)境壓力，持續(xù)滿足規(guī)范

· 回答客戶與器件生命周期有關(guān)的問題（MTBF， MTTF）

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

創(chuàng)建統(tǒng)計(jì)相關(guān)結(jié)果要求足夠的測試器件樣本數(shù)量。對多個(gè)器件進(jìn)行壓力測量，要求多通道并行測試及自動評估數(shù)據(jù)。

綜合測試系統(tǒng)一般用于這類應(yīng)用，可進(jìn)行定制，適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境。這些系統(tǒng)使用軟件控制，循環(huán)執(zhí)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(shù)量的器件同時(shí)供電和進(jìn)行測試。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)器件

一旦驗(yàn)證了器件，就可以準(zhǔn)備投入商用。用戶必須檢驗(yàn)器件位于應(yīng)用的容限范圍內(nèi)，保證最終產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的功率效率。在器件成熟，從多家供應(yīng)商供貨時(shí)，功率器件消費(fèi)者要迅速檢測拿到的器件，識別和消除假冒產(chǎn)品，避免最終產(chǎn)品中潛在的問題。

這時(shí)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(gè)最終產(chǎn)品性能。示波器可以分析開關(guān)損耗、諧波和安全操作區(qū)。

診斷器件故障

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

能夠迅速測量器件技術(shù)數(shù)據(jù)非常重要，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。要模仿最終應(yīng)用，以復(fù)現(xiàn)故障。擁有跟蹤模式的參數(shù)曲線示圖儀可以執(zhí)行這類分析工作。內(nèi)置壓力測試測量的軟件工具可以復(fù)現(xiàn)導(dǎo)致器件性能劣化的情況。

從始至終，測試和測量在把新功率半導(dǎo)體器件帶到市場，并使其適應(yīng)客戶應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)問題來源中發(fā)揮著重要作用。了解整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期及各階段的測試挑戰(zhàn)有助于保證整個(gè)設(shè)計(jì)流程平滑運(yùn)行。