CN102393501B - 一种mosfet可靠性测试分析系统的mosfet静态参数测试方法 - Google Patents

一种mosfet可靠性测试分析系统的mosfet静态参数测试方法 Download PDF

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Abstract

一种MOSFET可靠性测试分析系统的MOSFET静态参数测试方法，属于测量及分析技术领域。为了解决过去没有采用在模拟恶劣环境下进行加速退化寿命试验来实时连续检测MOSFET可靠性的方法。MOSFET可靠性测试分析系统包括：MOSFET退化实验环境模拟箱、MOSFET静态参数测试仪、下位机、上位机和PC机。静态参数测试仪测量退化实验环境模拟箱中MOSFET的阈值电压、跨导和沟道电阻。方法是首先将MOSFET置于退化实验环境模拟箱中，上位机中设置加速寿命实验所需的温度和湿度，预定测试次数，上位机将采集数据进行计算、储存和分析。用于评估MOSFET的可靠性。

Description

一种MOSFET可靠性测试分析系统的MOSFET静态参数测试方法
技术领域
本发明涉及一种MOSFET可靠性测试分析装置及方法，属于测量及分析技术领域。
背景技术
MOSFET由于热稳定性好、安全工作区大、开关速度快等优点而被广泛应用于模拟电路和数字电路的电子器件。近年来，MOSFET已广泛地应用于电源、计算机及外设、通信装置、电子及工业控制等领域。作为电力电子领域的重要器件，MOSFET的可靠性对系统的可靠性有着重要的影响。
大量的经验、数据和原理分析表明，MOSFET的阈值电压、沟道电阻等参数的变化以及转移特性曲线的漂移等现象可以精确地反映出MOSFET的退化效果，体现其内部结构的变化，进而判断器件是否失效。为了评估它的性能，在退化过程中研究其特性参数的变化情况是非常必要的，因此对处于退化中的MOSFET进行静态特性参数监测，能够为器件的可靠性乃至系统的可靠性研究奠定基础。所以根据国家标准GB-T4586-1994中的规定，研究用于寿命试验的MOSFET可靠性测试系统很有必要。
目前，国内外虽然已有的分立半导体元器件参数测试仪可以对器件进行可靠性分析，但存在以下缺点：
1、对功率MOSFET的几项重要参数的测量采用几种不同的仪器，不能同时测得；
2、使用步骤比较繁琐，需要连续插拔，而且没有采用在模拟恶劣环境下进行加速退化寿命试验来实时连续地测试并保存所测得的参数；
3、体积比较大，不利于携带。
发明内容
本发明的目的在于为了解决过去没有采用在模拟恶劣环境下进行加速退化寿命试验来实时连续检测MOSFET可靠性的方法。
本发明的一种MOSFET可靠性测试分析系统包括：
MOSFET退化实验环境模拟箱1：把MOSFET设置在本箱体中，通过模拟高温、低温和恶劣的湿度环境加速MOSFET的老化过程；
MOSFET静态参数测试仪2：连接被测试的MOSFET，测量MOSFET退化实验环境模拟箱1中MOSFET在所模拟的温度和湿度环境下的阈值电压、跨导和沟道电阻；
下位机3：与MOSFET静态参数测试仪2相连接，用于采集MOSFET静态参数测试仪2所测量的阈值电压、跨导和沟道电阻数据；与MOSFET退化实验环境模拟箱1相连接，控制MOSFET退化实验环境模拟箱1中的温度和湿度的变化；
上位机4：与下位机相连接，控制下位机3的开启和关闭时间，从而完成特定时间和特定时间长度阈值电压、跨导和沟道电阻数据的采集；
PC机5：实现同步显示阈值电压、沟道电阻数值，产生转移特性曲线，所述转移特性曲线是MOSFET的漏源电流与栅源电压之间的关系曲线。
应用MOSFET可靠性测试分析系统的MOSFET静态参数测试方法，它包括的步骤如下：
步骤一：将MOSFET置于MOSFET退化实验环境模拟箱中，上位机中设置加速寿命实验所需的温度和湿度，并预定测试次数；
步骤二：将采集的数据发送到上位机中；
步骤三：上位机根据静态参数计算公式和调理部分放大和缩小比计算静态参数值；
其中在上位机中MOSFET静态参数计算式为：
OpenVoltage=(myData[0]×5.68-myData[1])×2.438/4095;
Rds=3×0.15×(myData[2]/0.733-myData[3]/3)/myData[3];
GfsVoltage[k]=myData[k]×2.438/4095×5.68;
GfsCurrent[k]=myData[k]×2.438/4095/0.12/2.9;
其中，OpenVoltage、Rds、GfsVoltage、GfsCurrent分别为阈值电压、沟道电阻、跨导对应栅极电压及源极电流，myData为下位机AD采集传送的对应数据；
步骤四：将MOSFET静态参数的数据储存在文本文档中；
步骤五：上位机根据预定的测试时间间隔定时启动下位机，如果达到预定的测试次数，显示测试完成；
步骤六：用上位机中MATLAB引擎调用文本文档，用回归分析的方法画出各个参数的变化规律，利用多维变量主元分析和距离判别分析等方法确定MOSFET的失效模式及失效机理，并用分布类型参数估计及可靠性指标计算等方法评估MOSFET的可靠性。
本发明的优点是：
1、根据国家标准中的要求，实现了同时对MOSFET阈值电压、沟道电阻和转移特性曲线以及对应的栅极电压和漏极电流等参数同时进行实时连续的测试；
2、操作步骤简单，提供一种能够在模拟恶劣环境下，加速寿命实验的过程中实现定时连续地测试并保存所测得的参数；
3、体积小便于携带。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为阈值电压测试电路；
图3为沟道电阻测试电路；
图4为MOSFET转移特性曲线的示意图；
图5为跨导测试栅极电压波形图；
图6为100℃的温度应力和0.5A的电流应力的条件下0到1500分钟阈值电压变化趋势图；
图7为100℃的温度应力和1A的电流应力的条件下0到1500分钟阈值电压变化趋势图；
图8为150℃的温度应力和0.5A的电流应力的条件下0到1000分钟阈值电压变化趋势图；
图9为150℃的温度应力和1A的电流应力的条件下0到1000分钟阈值电压变化趋势图；
图10为150℃的温度应力和1A的电流应力的条件下0到1000分钟阈值电压变化趋势图；
图11为100℃的温度应力和1A的电流应力的条件下0到1500分钟沟道电阻变化趋势图；
图12为150℃的温度应力和0.5A的电流应力的条件下0到1000分钟沟道电阻变化趋势图；
图13150℃的温度应力和1A的电流应力的条件下0到1000分钟沟道电阻变化趋势图；
图14转移特性曲线。
具体实施方式
具体实施方式一下面结合图1说明本实施方式，一种MOSFET可靠性测试分析系统它包括：
MOSFET退化实验环境模拟箱1：把MOSFET设置在本箱体中，通过模拟高温、低温和恶劣的湿度环境加速MOSFET的老化过程；
MOSFET静态参数测试仪2：连接被测试的MOSFET，测量MOSFET退化实验环境模拟箱1中MOSFET在所模拟的温度和湿度环境下的阈值电压、跨导和沟道电阻；
下位机3：与MOSFET静态参数测试仪2相连接，用于采集MOSFET静态参数测试仪2所测量的阈值电压、跨导和沟道电阻数据；
上位机4：与下位机相连接，控制下位机3的开启和关闭时间，从而完成特定时间和特定时间长度阈值电压、跨导和沟道电阻数据的采集；与MOSFET退化实验环境模拟箱1相连接，控制温度和湿度；
PC机5：实现同步显示阈值电压、沟道电阻数值，产生转移特性曲线，所述转移特性曲线是MOSFET的漏源电流与栅源电压之间的关系曲线。
具体实施方式二：下面结合图1至图14说明本实施方式，所述的MOSFET静态参数测量方法，步骤如下：
步骤一：将MOSFET置于MOSFET退化实验环境模拟箱中，上位机中设置加速寿命实验所需的温度和湿度，并预定测试次数；
步骤二：将采集的数据发送到上位机中；
步骤三：上位机根据静态参数计算公式和调理部分放大和缩小比计算静态参数值；
步骤四：将MOSFET静态参数的数据储存在文本文档中；
步骤五：上位机根据预定的测试时间间隔定时启动下位机，如果达到预定的测试次数，显示测试完成。
步骤六：用上位机中MATLAB引擎调用文本文档，用回归分析的方法画出各个参数的变化规律，利用多维变量主元分析和距离判别分析方法确定MOSFET的失效模式及失效机理，并用分布类型参数估计及可靠性指标计算方法评估MOSFET的可靠性。
本实施方式是对实施方式一的进一步说明。
实施例
根据本发明所述的用于可靠性研究的MOSFET静态参数测试方法，给出一组MOSFET可靠性测试分析实例如下：
测量实例中所用的MOSFET选用IR公司的IRF740。将MOSFET用长线接入到恒温箱中，以便加入温度应力。在机箱中预留的接口上接入不同的电路，提供电压和电流应力。测量步骤如下：
步骤一：启动恒温恒湿箱，上位机设置温度和湿度，等待恒温箱显示温度和湿度达到设置的值；
步骤二：设置电压应力和电流应力，打开MOSFET静态参数测试仪电源；
步骤三：在上位机界面中设置测试编号、样品型号、测量时间间隔和测量次数；
步骤四：再加入温度和电压电流应力的同时进行参数测试，得到6个MOSFET在退化过程中静态参数的数据；
步骤五：测试完成后，用上位机中MATLAB引擎调用文本文档，用回归分析的方法画出各个参数的变化规律，利用多维变量主元分析和距离判别分析方法确定MOSFET的失效模式及失效机理，并用分布类型参数估计及可靠性指标计算方法评估MOSFET的可靠性。

Claims (1)

1.一种MOSFET可靠性测试分析系统的MOSFET静态参数测试方法，它基于一种MOSFET可靠性测试分析系统实现，该分析系统包括: 
MOSFET退化实验环境模拟箱(1):把MOSFET设置在本箱体中，通过模拟高温、低温和恶劣的湿度环境加速MOSFET的老化过程; 
MOSFET静态参数测试仪(2):连接被测试的MOSFET，测量MOSFET退化实验环境模拟箱(1)中MOSFET在所模拟的温度和湿度环境下的阈值电压、跨导和沟道电阻; 
下位机(3):与MOSFET静态参数测试仪(2)相连接，用于采集MOSFET静态参数测试仪(2)所测量的阈值电压、跨导和沟道电阻数据;与MOSFET退化实验环境模拟箱(1)相连接，控制MOSFET退化实验环境模拟箱(1)中的温度和湿度的变化; 
上位机(4):与下位机相连接，控制下位机(3)的开启和关闭时间，从而完成在特定时间和特定时间长度下阈值电压、跨导和沟道电阻数据的采集; 
PC机(5):实现同步显示阈值电压、沟道电阻数值，产生转移特性曲线，所述转移特性曲线是MOSFET的漏源电流与栅源电压之间的关系曲线; 
其特征在于:所述测试方法包括以下步骤: 
步骤一:将MOSFET置于MOSFET退化实验环境模拟箱中，上位机中设置加速寿命实验所需的温度和湿度，并预定测试次数; 
步骤二:将采集的数据发送到上位机中; 
步骤三:上位机根据静态参数计算公式和调理部分放大和缩小比计算静态参数值;其中在上位机中MOSFET静态参数计算式为: 
OpenVoltage=(myData[0]×5.68-myData[1])×2.438/4095; 
Rds=3×0.l5×(myData[2]/0.733-myData[3]/3)/myData[3]; 
GfsVoltage[k]=myData[k]×2.438/4095×5.68; 
GfsCurrent[k]=myData[k]×2.438/4095/0.12/2.9; 
其中，OpenVoltage、Rds、GfsVoltage、GfsCurrent分别为阈值电压、沟道电阻、跨导对应栅极电压及源极电流，myData为下位机AD采集传送的对应数据; 
步骤四:将MOSFET静态参数的数据储存在文本文档中; 
步骤五:上位机根据预定的测试时间间隔定时启动下位机，如果达到预定的测试次数，显示测试完成; 
步骤六:用上位机中MATLAB引擎调用文本文档，用回归分析的方法画出各个参数的变化规律，利用多维变量主元分析和距离判别分析方法确定MOSFET的失效模式及失效机理，并用分布类型参数估计及可靠性指标计算方法评估MOSFET的可靠性。 
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