內容摘要

傳統的硅金屬-氧化物-半導體場效應晶體管 (MOSFET) 具有成熟的技術和低廉的成本，在中壓和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 高壓功率電子器件中占主導地位。使用碳化硅等具有高電離能的新型寬帶隙材料，可以制造出具有快速開關時間和超過1,000伏擊穿電壓的經典MOSFET器件。此外，它們能夠承受高溫，確保穩定運行和延長使用壽命。新的材料需要新的測試技術，尤其是在熱瞬態測試領域，更需要良好的方法來檢查設備完整性、識別設備故障機制以及確定熱阻。為了應對這些挑戰，Siemens Digital Industries Software改進Siemens MicReD Power Tester，提供了一套符合新測試標準的新型測試方法。

序言

近幾十年來，設備尺寸隨著功率水平和功率密度的不斷提高而不斷縮小，使得功率電子器件的熱測試變得至關重要。為了應對這些挑戰，西門子綜合利用其在器件物理和測試設備制造方面的深厚知識，開發了一套符合新測試標準的新型方法。1,2這些知識的精髓已經發表在近期的一本書中。3直到近期，包括二極管、MOSFET和IGBT在內的硅器件仍在功率電子器件中占主導地位。為了理解相關的測試原理，我們需要研究它們的溫度相關特性。

圖1（左）顯示了典型的高壓垂直導電MOSFET剖視圖，圖2（右）顯示了該器件的近似等效電路。當柵-源電壓 (VGS) 達到特性Vth閾值電壓時，導電通道出現在N+源和N–外延層之間，然后隨著VOV=VGS–Vth“過驅動”電壓以近似二次方式增長。

圖1.高壓垂直導電MOSFET（左）和IGBT器件（右）的簡化剖視圖。3

圖2.高壓垂直導電 MOSFET（左）和 IGBT 器件（右）的等效電路。3

通道的Rch電阻可以通過適當的技術配置進行合理的編程。然而，在高壓晶體管中，外延層必須較厚并且有稀疏的摻雜，才能承受OFF狀態下的高阻斷電壓。這樣它可以形成一個較長的耗盡區域，使其中的電場（電壓和長度的比值）不超過材料的介電強度。

在ON狀態下，N–層會向器件的總RDSON電阻添加一個額外的Repi電阻，這將在處于工作電流下的MOSFET中導致較高的VD,on=VDS(ID)壓降，即使處于較高的VOV過驅動電壓也是如此。

為了提高器件的開關效率并避免器件因為高損耗而過熱，在IGBT器件中，在MOSFET之外集成了一個共源共柵雙極晶體管；該晶體管在ON狀態下將注入大量可移動載流子：圖1（左）和圖2（右）。雙極PNPN結構會造成外延電阻短路，VON電壓由上方PNP晶體管的Vsat飽和電壓而不是由半導體中的串聯電阻決定。在硅材料中，Vsat約為二極管的典型正向電壓范圍（0.8V至1.0V）。

該解決方案的缺點是運行緩慢。在MOSFET中，通道中的電子能夠以皮秒為單位退回到源極，而IGBT則需要經過雙極基極中兩種電荷載流子類型的長時間復合后才能關閉。

隨著碳化硅 (SiC) 器件的出現，不再需要以上妥協并實現了更好的性能。在這些材料中，需要更高的能量才能從半導體晶體晶格中剝離電子并使其可以移動，這一能量高于三個電子伏特，是硅 (Si) 的三倍多。

這種電離能被稱為“帶隙”。它的一項較高價值在于，它會帶來許多有利的特性。例如，在介電強度方面，SiC 器件會在2千瓦 (kV)時擊穿10μm距離，而Si器件會在200V時擊穿。在相同溫度下，半導體中的電離原子數要低得多，因此SiC器件可以在500攝氏度 (oC) 下工作，而Si的極限只有200oC。在實際使用中，工作溫度受到封裝材料的限制。

借助于SiC器件，MOSFET的高速、低損耗和高效率優勢可以擴展到更高的工作電壓和溫度。因此，它們現在在三相逆變器、AC-DC或DC-DC轉換器以及數字電源等方面得到了廣泛應用。4,5,6

盡管SiC器件與硅器件之間存在相似之處，但這種新材料為測試解決方案帶來了新的挑戰，例如熱特性測試和功率循環可靠性測試。

先進的熱特性和功率循環

近幾十年來，熱瞬態測試已成為封裝半導體器件熱特性分析中廣為采用的一種方法。

Simcenter T3STER 硬件和軟件解決方案是市場領先的熱瞬態測試實施方案。它提供標準的熱指標（結到殼、結到板、結到環境等），能夠檢測結構缺陷并優化熱流路徑中的材料選擇。該技術的獨特之處在于，它有助于為熱仿真生成和校準模型。

1.1.熱瞬態測試

在熱瞬態測試中，記錄了系統（半導體芯片）中最熱的點在兩個穩態之間的溫度變化。

到目前為止指出的所有特性器件參數（例如MOSFET中的Vth和RDSON、IGBT中的Vsat等）都與溫度有關，因此它們可以用作熱測試中的溫度敏感參數 (TSP)。在合適的偏差下，可以校準選定的參數，這意味著可以確定參數值與恒溫環境溫度之間的明確映射。

圖3.Si MOSFET的輸出特性。

在熱瞬態測試中，通過施加的電負載將組件加熱到熱穩態。隨后，在突然關閉加熱后，可以捕獲芯片的電參數變化。最后，將電信號轉換回溫度，使用數學算法對熱瞬態進行處理，以識別時間常數并生成等效的分布電阻電容 (RC) 模型。

傳統的熱瞬態測試在硅MOSFET源極和漏極之間的反向體二極管（圖1中的紅色二極管）上執行。在這些器件中，當VGS=0V（柵極連接到源極）時，只有很小的閾下電流流過通道。在使用Idrive驅動電流加熱期間，功率會受到限制，因為 VF正向電壓保持在1V以下。在低Isense感應電流下，可以用約–2mV/K的靈敏度來記錄瞬態。

對于三極組件，可以通過適當控制柵極引腳來實現更復雜的加熱和感應選項。

圖3顯示了一個MOSFET的輸出特性（這是SEMIKRON SK280MB10模塊中的一個晶體管）。7該圖顯示了ID漏極電流在幾個固定VGS柵-源電壓值下隨VDS漏-源電壓的增加而發生的變化。

可以觀察到，當漏極電流為240A時，VD,on電壓在25oC下為0.26V，在150oC 時為0.48V。RDSON 通道電阻在兩種溫度下均可計算為VDS/ID，并且具有正溫度系數。

然而，除了圖表中因芯片溫度變化而引起的可逆偏移外，劣化機制也會改變器件特性。

該圖顯示了使用RDSON作為TSP的局限性，其變化僅為約0.9mΩ。即使高 Isense=1A電流下，當溫度升高125°C時，TSP的變化也僅為0.9mV。

將柵極連接到漏極并施加一個小的正Isense后，VGS=VDS電壓略高于器件的Vth 閾值電壓。因溫度而引起的Vth變化的理論值略大于–4mV/K。圖3表明，Vth高于4V，在相同的Idrive電流下，可以實現遠高于體二極管的耗散。但是，由于溫度系數為負，器件中可能會形成熱點，這可能在高功率水平下導致損壞。

Simcenter T3STER和Simcenter MicredTMPower Tester提供了以上所有選項來測量二極管、MOSFET或IGBT，可以適用任何器件和應用。Simcenter是 Siemens Xcelerator這一軟硬件和服務業務平臺的一部分。

1.2.功率循環

有功功率循環 (APC) 是一種重要的可靠性測試方法，該方法通過在器件中開關高電流來檢查半導體元件的劣化機制。通過重復功率循環直到組件發生故障，可以繪出器件的壽命曲線。

圖4.Simcenter Micred Power Tester。

Simcenter Micred Power Tester（圖 4）提供了一種獨特的解決方案，綜合利用了有功功率循環和熱瞬態測試。該自動化系統會按用戶定義的周期數定期中斷功率循環并測量熱瞬態。熱瞬態數據序列揭示了內部器件結構從熱芯片開始在整個熱流路徑中的變化。系統可以識別不同的層，如芯片貼裝、基板焊接或熱界面材料 (TIM)，并監測其退化的傳播情況。

通過使用Simcenter T3STER，以20°C甚至更低的TJ結溫變化就足以達到良好的信噪比。

與之相比，在功率循環期間，施加的加熱功率必須足夠高，才能達到或超過所需的溫度擺動值以捕獲數據并創建壽命曲線。通常，要進行相關的壽命估算，不會超過額定電流，并且負載條件必須類似于正常運行條件。

除了其他的供電和感應選項外，該功率測試儀還為MOSFET器件提供了組合測試設置，可以加熱導電通道并使用體二極管測量溫度。該方法也是ECPE AQG-324 指南2推薦的方法，該指南被廣泛接受用于功率模塊測試，并對功率循環測試提供了詳細的建議。

圖5.組合測試裝置、加熱通道、體二極管上的溫度測量。

測量設置的方案如圖5所示。對于加熱，在晶體管上施加一個標稱VGS以使其通電(ON)，并在漏極上施加Idrive。達到穩態時，VGS變為0V，體二極管上的VF正向電壓記錄為負Isense。由器件通道上的導通損耗而產生的熱與實際應用一致，但確保了溫度測量的高靈敏度。為了獲得可比較的測試結果，不應一直運行功率循環直到組件發生災難性故障；相反，必須定義適當的故障標準。只要達到其中任意一個標準，循環就將停止。

在 Simcenter Micred Power Tester 中，所有主要監測參數的停止標準都可以定義為絕對值或百分比變化。這些停止標準包括：

?最大（和最小）通態電壓 (VDS,on)

?熱阻 (Rth)

?最大結溫變化 (ΔTj,max)

?最大通道電阻 (RDSON)

ECPE AQG-324指南定義了兩個主要的故障標準，即VDS,on上升或結到殼/結到散熱器熱阻上升。詳細的定量限值請見參考資料2。

SiC MOSFET器件熱測試中的挑戰和解決方案

盡管SiC和Si器件有許多共同特點，但需要特別注意幾個重要差異以適應經典的測試方法。9

2.1.SiC MOSFET器件的熱瞬態測試

Si 和SiC MOSFET器件之間的某些差異會影響熱瞬態測試和功率循環方法，而其他差異僅與功率循環有關。在本節中，我們列出了兩者中影響TSP實現的因素。

圖6.使用不同于參考資料 3 的 VGS 所測得的體二極管的“準溫度”。

電荷積聚：在SiC MOSFET中，該效應通常發生在半導體柵極的氧化物表面（如圖 1 所示）。Vth中引發的時變變化可能會干擾瞬態測量，因此應謹慎使用與TSP相關的閾值電壓，例如MOS二極管電壓。5,8,9

寄生電流：由于閾下電流較高，在體二極管上測量溫度時，必須使用負VGS以抑制通道中的并聯電流。3,9

圖 6 顯示了當VGS=0V、–2.5V、–5V 和 –6V 時SiC MOSFET中體二極管上的VF正向電壓變化。豎軸按照“準溫度”（電壓變化乘以TSP）進行縮放以更好地比較早期階段中的瞬態信號。

可以觀察到，對于實際器件，VGS=–5V 和–6V時的瞬變幾乎相同，因此似乎沒必要進一步降低柵-源電壓。

在+20到–10V的范圍內，Simcenter Micred Power Tester中的柵極驅動電路有助于使用正負VGS的測量方法。

體二極管上的高正向電壓：SiC 二極管上的VF正向電壓在處于Isense時可能已經高于3V，而且在處于Idrive時可能更高。當體二極管上發生加熱和感應時，或是對于圖5的組合測試方案，這可能是一個障礙。

Simcenter Micred Power Tester 是專用于測量更多串聯MOSFET器件鏈路的測試儀。經過新近的開發，該系統將Isense的電壓范圍擴展到±12V，允許串聯多達四個最大壓降為3V的器件，例如兩個半橋。

感應電壓尖峰：在功率循環測試系統中，寄生電線電感無法像在功率轉換器設備中那樣得到徹底優化。在幾百安培的電流下，會存儲大量的感應能，當加熱電流關閉后，可能需要幾十微秒才能放電（耗散）。在圖5的測試方案中，還必須開關柵極電壓。如果在正漏極電流仍在流動時執行此開關操作，由此產生的高電壓峰值可能會影響器件壽命，甚至可能損害測試系統。

圖 7.功率 MOSFET 的初始電壓變化，藍色為使用 16 μs 的柵極電壓延遲，紅色為不使用柵極電壓延遲。

為保護兩者，可以在不同時間開關Idrive 和VGS。

通過測試儀的控制功能，用戶可以選擇所需的柵極電壓開關延遲，從而在系統保護和電氣瞬態長度之間找到更好的平衡。

圖 7 顯示了SiC MOSFET(MD120HFR120C2S)在10A驅動電流和-1A感應電流下的開關瞬態。在這些電流下執行的試驗表明，16μs的柵極電壓延遲消除了開關期間的電壓峰值。

除了上述的主動電壓尖峰保護外，為了提高SiC MOSFET測試性能，還改進了測試儀輸入端的過壓保護。

2.2.SiC MOSFET 器件的功率循環

功率循環中的一項主要停止標準與高電流下器件中的電壓增加有關，表示為 VD,on和RDSON。

在許多情況下，VD,on的增加表示連接漏極和源極的鍵合線的直接退化或其他相關劣化機制。然而，導熱路徑劣化（芯片貼裝分層、碎裂等）造成的芯片溫度升高也可能導致較高的RDSON。在SiC MOSFET器件中，VDS,on在 Idrive電流下大致與RDSON成正比，因此其與溫度相關的增長高于IGBT Vsat飽和電壓的增長。因此，這種可逆性增長可以主導測量的VD,on，導致提前停止測試程序并低估實際壽命。

AQG-324的附錄 III（第 14 頁）提到了定義和監控額外的冷態器件電壓 (VDS,on,cold) 參數以避免因溫度變化而提前停止循環。不過，該指南允許用戶自由定義VDS,on,cold參數。

使用Simcenter Micred Power Tester可以獲得兩種替代解決方案。

開始加熱時測得的通態電壓：在加熱階段開始時測量Von,cold參數。要獲得精確時間，必須考慮到由開關電源提供高負載電流，并且電流在一定調節時間后穩定（這取決于設定的電流水平和負載上的電壓）。

用戶設置相對于開啟瞬間的適當時間延遲，使該時間既足以實現穩定，又足以盡量降低升高的溫度。

該方法的優點是它適用于正常的循環條件，因此在每個循環中都能捕獲 Von,cold。然而，在加熱電流穩定在所需的設定水平之前，其精度會受到溫度升高的限制。

降低負載電流時測得的通態電壓：Von, LP參數在降低的加熱電流水平下捕獲。加熱功率隨加熱電流而二次減小；負載電流降低10倍會使負載電壓降低10倍，而耗散和溫度變化會降低100倍。該參數的優點是，通過正確選擇測試電流，可以很好地控制溫度變化的影響，但它需要在測試流程中插入特殊的測試周期，從而限制了監測的時間分辨率。

在Simcenter Micred Power Tester中，上文所定義的兩個參數都可用作循環停止標準。

結語

新型半導體材料的引入極大地改變了功率電子器件的世界。SiC廣泛應用于汽車、牽引、功率轉換以及其他應用。這種半導體的寬帶隙（高電離能）特性可在高溫和高介電強度下實現較低的載流子濃度，將快速MOSFET器件的使用擴展到高溫、高電壓和高頻范圍。為了應對新的挑戰，測試設備制造商開發了新的測試概念，包括使用功率循環來執行熱特性和可靠性測試。

半導體芯片是各種設備中的一大熱點。在熱瞬態測試和大多數功率循環解決方案中，使用芯片與溫度相關的電氣參數來捕獲溫度變化。

在MOSFET結構中，體二極管是常用的傳感器。在SiC器件中，電荷捕獲可能導致瞬態信號出現長時間變化；此外，寄生電流在器件通道中以零柵極電壓流動。在測試和正常運行期間，負柵極電壓可以抑制這些影響。

為了在瞬態測量中達到適當的高功率，并在循環測試中應用真實的負載條件，通常在通道電阻處于導通狀態時進行晶體管加熱。當冷卻開始時，需要開關加熱電流和柵極電壓。通過合理分隔兩個開關事件并恰當控制時間，可以防止電壓峰值損壞測試樣品和測試系統。

在可靠性測試中，所有器件類型的一個壽命終止標準是在高電流下出現通態電壓增加。這主要表明了封裝內部的電氣互聯出現退化，但器件溫度也會影響該參數。在SiC 器件中，熱效應可能占主導地位，因此需要引入新的監測參數。在加熱之前或處于低電流時，執行額外的通態電壓測量有助于區分溫度升高和結構退化。

使用Simcenter Micred Power Tester，您可以針對所有上述需求實施解決方案，為SiC組件測試提供全面支持。