CN107728034A - 新型功率器件控制自动化静电防护测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型功率器件控制自动化静电防护测试系统及方法。该系统的开关控制装置，以若干半导体功率器件分别置于电源与充电传输线之间，其控制信号接入微处理器，另外若干半导体功率器件分别置于充电传输线与脉冲传播传输线之间，其控制信号亦接入微处理器。本发明的系统以半导体功率器件为开关装置，结合多个功率器件开关装置选择合适的充电传输线及其组合，可实现多种脉冲宽度的脉冲测试系统。该系统利用半导体功率器件作为开关装置实现多路径控制，具有成本低、易于制造与调试、便于维护、稳定性好、使用灵活的特点，结合微控制器组成的自动测试系统，可应用于静电防护等自动化测试中，完全满足多脉冲宽度测试需求。

Description

新型功率器件控制自动化静电防护测试系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体可靠性测试中的静电可靠性测试领域，特别涉及一种新型的测量半导体元器件静电防护特性的自动化系统及方法。

背景技术

静电防护一直是半导体可靠性方面的重点研究方向，随着半导体制程不断进步，静电放电对集成电路造成损伤的风险日益收到人们的关注。在静电可靠性的研究和静电防护设计中，如何测量待测器件的静电特性尤为重要。

为了满足静电可靠性研究、静电防护设计和评估静电防护等级的需求，所有的静电防护现象主要被分为人体模型HBM、机器模型MM和充放电模型CDM。不同模型的波形对电子元器件的冲击效果不一样，冲击场景也不一样。在评估电子元器件的静电防护能力时，采取不同的冲击波形发生装置模拟产生人体模型HBM、机器模型MM和充放电模型CDM的波形，来得到针对该电子元器件的静电防护所能达到的最大等级。但是，这并不能满足静电可靠性研究和静电防护设计的需求。在对某型电子元器件的静电防护模块的设计和改进过程中，必须静电特性。特别是在静电可靠性研究中，需要得到静电放电的细节特征，如开启电压、会穿曲线、二次击穿点等。

通常利用传输线脉冲系统来得到这些特征。传输线脉冲系统提供与静电冲击相近能量的冲击脉冲来冲击待测器件，并得到静电放电过程中的细节信息。

发明内容

本发明提出了一种新型的功率器件控制自动化静电防护测试系统。该测试系统利用VDMOS和LDMOS等功率半导体器件替代传统的高速/超高速继电器，结合微控制器组成自动化静电防护测试系统。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种新型功率器件控制自动化静电防护测试系统的开关控制装置，以若干半导体功率器件分别置于电源与充电传输线之间，其控制信号接入微处理器；另外若干半导体功率器件分别置于所述充电传输线与脉冲传播传输线之间，其控制信号亦接入微处理器。

本发明还提供一种新型功率器件控制自动化静电防护测试系统的多种脉冲宽度方波发生装置，半导体功率器件的控制端全部接入微处理器，微处理器通过设定好的开关顺序和选择相对应的开关路径，以电信号驱动半导体功率器件导通或者关断，完成系统各部分之间的连接和断开。

作为本发明的进一步改进，所述装置包括若干充电传输线，包括分别置于电源与充电传输线之间的若干个半导体功率开关装置的第一半导体功率开关装置组，包括分别置于所述充电传输线与脉冲传播传输线之间的若干个半导体功率开关装置的第二半导体功率开关装置组，脉冲传播传输线和电源，若干二极管和电阻；

所述充电传输线具有相同的阻抗但是长度不同，能分别产生不同脉冲宽度的方形脉冲；

所述二极管用于消除反射回来的负向脉冲，所述电阻为终端电阻，其阻抗值与所述充电传输线相匹配；在所述脉冲传播传输线中冲击脉冲由所述充电传输线向待测器件方向传播。

作为本发明的进一步改进，微处理器控制第一半导体功率开关装置组中的一个或者多个导通、第二半导体功率开关装置组全部断开；电源对充电传输线中的一个或者多个充电；之后，微处理器控制第一半导体功率开关装置组全部断开、第二半导体功率开关装置组中的一个或者多个导通，充电传输线中的一个或者多个与脉冲传播传输线连接，形成多种不同脉冲宽度的冲击脉冲；

不同脉冲宽度由不同充电传输线及其组合形成；

脉冲电压幅度由电源决定，脉冲电压幅度与脉冲宽度一起决定了冲击脉冲的能量。

本发明还提供一种测量电子元器件静电放电特性的自动化静电防护测试系统：

包括上述的多种脉冲宽度方波发生装置、微处理器、IV探头及示波器、半导体功率开关装置A、半导体功率开关装置B和IV测量装置；

所述多种脉冲宽度方波发生装置用于在微处理器的控制下产生不同脉冲宽度的冲击脉冲；

IV探头及示波器用于检测脉冲传播传输线上的入射和反射波形；

IV测量装置用于监控待测器件是否已经烧毁，判断标准根据具体测试需求决定。

本发明还提供一种所述自动化静电防护测试系统的集中控制的自动化测试方法，由微处理器集中控制，通过控制第一半导体功率开关装置组、第二半导体功率开关装置组、半导体功率开关装置A、半导体功率开关装置B的导通与关断来实现。

作为本发明的进一步改进，所述方法包括如下步骤：

半导体功率开关装置A关断，半导体功率开关装置B导通；

在微处理器控制下某个脉冲宽度与电压幅度一定的冲击脉冲向待测器件方向传播并冲击待测器件，产生的反射和入射波被IV探头及示波器检测到并传入微处理器进行分析计算与存储；

经过一个或者多个脉冲宽度与电压幅度一定的冲击脉冲冲击待测器件、微处理器得到符合要求的置信度的数据之后，半导体功率开关装置A导通，半导体功率开关装置B关断；

IV测量装置检测待测器件是否在之前的冲击中烧毁；如果烧毁，则停止测试；如果没有烧毁，则改变冲击脉冲重复测试。

本发明的有益效果如下：

本发明克服了传统测试系统制造调试困难、维护使用成本高、测量误差大的缺点，实现了多路并联控制，能够产生多种脉冲宽度的方波，具有成本低、易于制造与调试、便于维护、稳定性好、使用灵活的特点，结合微控制器可组成完全自动化的测试系统。

在随后的实施例中将针对本发明的目的及优点作详细描述，所具备优势的实际效果可通过本说明书的描述和对本发明的实施得以了解。

附图说明

图1是本发明之主要组成部分实施例示意图；

图2是本发明之新型的功率器件控制自动化静电防护测试系统实施整体示意例；

图3是本发明之测试实施例波形图；

图4是本发明之自动化测试实施例流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种静电测试系统的开关装置及开关控制方法。

该开关装置主要是利用在半导体功率器件具备在电信号控制下进行电气通路导通-关断的能力。相较于机电开关装置如高速/超高速继电器，半导体功率器件作为测试系统的开关具有价格低廉、产品一致性好、输入和输出阻抗固定、使用寿命长和产品种类丰富的特点。

本发明以一部分半导体功率器件11、12、13、14分别置于电源80与充电传输线31、32、33、34之间，其控制信号接入微处理器90；另一部分半导体功率器件21、22、23、24分别置于充电传输线31、32、33、34与传播传输线60之间，其控制信号亦接入微处理器90。

所用半导体功率器件的应用需要满足一定条件，包括但不限于足够高的工作频率，适合的输入输出阻抗，足够大的通过电流能力，考虑到组建系统的便捷性尽量为压控元件。

所用半导体功率器件以满足上述条件的VDMOS和LDMOS为主，但不局限于VDMOS和LDMOS，约束所有符合应用要求的功率器件种类，例如高频率性能的功率BJT和IGBT。

该开关控制方法将半导体功率器件11、12、13、14、21、22、23、24的控制端全部接入微处理器90。微处理器90通过设定好的开关顺序和选择相对应的开关路径，以电信号驱动半导体功率器件导通或者关断，完成系统各部分之间的连接和断开。

微处理器90指所有具备相应数据处理、信号控制能力的计算设备，包括但不限于商用或个人微型计算机、小型化嵌入式设备等。

由于静电冲击脉冲宽度在10ns～100ns范围之内，上升沿在100ps～10ns范围之内，普通的继电器无法满足系统开关切换需求。普遍采用的高速/超高速继电器存在价格昂贵、产品一致性不好、使用寿命短、不便于维护的缺点。而以VDMOS、LDMOS为代表的半导体功率器件作为测试系统的开关具有价格低廉、产品一致性好、输入和输出阻抗固定、使用寿命长和产品种类丰富的特点。如实施例所示在静电测试系统中以功率开关器件在不同位置作为开关装置实现了多种功能，譬如系统脉冲发生、脉冲宽度切换、自动化控制。以功率器件作为控制装置的静电防护测试系统，成本较低、可靠性高，可以实现更加复杂的功能。

本发明亦提供一种静电测试系统的多种脉冲宽度方波发生装置和不同脉冲宽度产生与控制方法。

多种脉冲宽度方波发生装置由多组充电传输线组成，包含充电传输线31、32、33、34，半导体功率开关装置11、12、13、14、21、22、23、24，脉冲传播传输线60和电源80。

充电传输线31、32、33、34具有相同的阻抗但是长度不同，能分别产生不同脉冲宽度的方形脉冲。

快速二极管41、42、43、44的作用是消除反射回来的负向脉冲，电阻51、52、53、54为终端电阻，其阻抗值与31、32、33、34相匹配。在脉冲传播传输线60中冲击脉冲由充电传输线31、32、33、34向待测器件100方向传播。

充电传输线的数量不限于4根，可根据需求自由配置。原则上每一根长度不同的传输线在终端匹配的条件下产生不同脉冲宽度的方波，而不同长度的传输线组合在一起可以得到更多脉冲宽度的方波。

产生多种脉冲宽度方波的方法包括如下步骤：

首先，微处理器90控制半导体功率开关装置11、12、13、14中的一个或者多个导通、半导体功率开关装置21、22、23、24全部断开。电源80经过一定时间对充电传输线31、32、33、34中的一个或者多个充电。之后，微处理器90控制半导体功率开关装置11、12、13、14全部断开、半导体功率开关装置21、22、23、24中的一个或者多个导通，充电传输线31、32、33、34中的一个或者多个与脉冲传播传输线60连接，形成多种不同脉冲宽度的冲击脉冲。

不同脉冲宽度由不同充电传输线31、32、33、34及其组合形成。更确切地说，充电传输线31、32、33、34的长度决定了所形成方波的脉冲宽度。充电传输线31、32、33、34之间的组合也能达到改变方波的脉冲宽度的目的。

脉冲电压幅度由电源80决定，脉冲电压幅度与脉冲宽度一起决定了冲击脉冲的能量。

对于传输线脉冲系统，充电传输线的长度决定了冲击脉冲的脉冲宽度，如果想产生多种不同脉冲宽度，必须配备多种长度的传输线作为充电传输线。而多个充电传输线(三个以上)对于高速/超高速继电器来说，考虑到成本高、阻抗不一致、产品端口数不灵活的缺点，实现的难度非常大，即使能够实现，但是其引入的误差和造成系统的不稳定的代价也是不能忍受的。对于功率器件，其输入和输出阻抗固定且多个器件之间一致性好，基本不会造成系统的误差与不稳定。利用功率器件作为开关，如实施例所示选择不同长度充电传输线和充电传输线的组合能够达到产生多种脉冲宽度方波的目的，因而系统具备很高的灵活性，具备重大的使用价值。

本发明亦提供一种测量电子元器件静电放电特性的自动化测试系统和集中控制的自动化测试方法。

该自动化测试系统由多种脉冲宽度方波发生装置、微处理器90、IV探头及示波器70、半导体功率开关装置111、112和IV测量装置120组成。

多种脉冲宽度方波发生装置如前所述权利要求4组成，目的是在微处理器90的控制下产生不同脉冲宽度的冲击脉冲。

IV探头及示波器70的目的是检测脉冲传播传输线60上的入射和反射波形。本发明之系统可以直接使用检测到的入射反射波形，也可以在微处理器90的协助下计算待测器件100吸收的脉冲波形。

IV测量装置120的目的是监控待测器件100是否已经烧毁，判断标准根据具体测试需求决定。

所述集中控制的自动化测试方法包括如下步骤：

本发明之系统自动化测试过程由微处理器90集中控制，通过控制半导体功率开关装置11、12、13、14、21、22、23、24、111、112的导通与关断来实现。

首先半导体功率开关装置111关断，半导体功率开关装置112导通。

根据权利要求5，在微处理器90控制下某个脉冲宽度与电压幅度一定的冲击脉冲向待测器件100方向传播并冲击待测器件100，产生的反射和入射波被IV探头及示波器70检测到并传入微处理器90进行分析计算与存储。

经过一个或者多个脉冲宽度与电压幅度一定的冲击脉冲冲击待测器件100、微处理器90得到置信度足够高的数据之后，半导体功率开关装置111导通，半导体功率开关装置112关断。

IV测量装置120检测待测器件100是否在之前的冲击中烧毁。如果烧毁，则停止测试；如果没有烧毁，则改变冲击脉冲重复测试。一般情况下，改变冲击脉冲的脉冲电压幅度，必要情况下也可以改变冲击脉冲的脉冲宽度。

功率器件控制自动化静电防护测试系统不同于传统的机电控制系统，所有的控制信号和数据信号在系统中由微处理器集中控制和处理。从实施例所示的测试过程来看，本系统的控制与数据处理自动化实现过程简单，整个系统具备良好的可维护性和可调试性。

在图1发明之主要组成部分实施例示意图和图2静电防护测试系统实施整体示意例中，半导体功率开光装置11、12、13、14、21、22、23、24、111、112选用输入输出阻抗已经匹配到50Ω的VDMOS，并满足一定的电流通过能力。充电传输线31、32、33、34和脉冲传播传输线60选用特征阻抗50Ω的不同长度线缆。脉冲传播传输线60脉冲中的脉冲宽度最低可低至1ns，因此IV探头及示波器70需要选用性能足够探测到脉冲传播传输线60脉冲的高性能示波器。电源80、IV测量装置120根据待测器件100的需求选取相应性能的装置即可。

图3为本发明之测试实施例波形图，脉冲波形201、202、203、301、302、303为近似于方波的冲击脉冲，选择不同长度的充电传输线31、32、33、34及其组合，可以产生不同脉冲宽度的冲击脉冲tw。此实施例中通过选择长度与校正充电传输线31、32、33、34分别产生1ns、5ns、10ns、100ns脉冲宽度的冲击脉冲。冲击脉冲间隔ti由微处理器90控制，设定原则为在间隔时间内待测器件积累的热量能近似完全散出，本实施例中设定冲击脉冲间隔ti为1s。而冲激脉冲的电压幅度Vp由电源80决定。

图4为本发明之自动化测试实施例流程图。在初始条件下，根据需求确定冲击脉冲宽度。首先测试100ns冲击方波下待测器件100的响应特性。充电传输线31产生的冲击脉冲宽度为100ns，处理器90控制VDMOS 11导通、VDMOS 12、13、14、21、22、23、24全部断开。

电源80经过一定时间对充电传输线31充电。之后微处理器90控制VDMOS 21、112导通、VDMOS 11、12、13、14、22、23、24、111全部断开，充电传输线31与脉冲传播传输线60连接，脉冲宽度100ns的冲击脉冲在脉冲传播传输线60中向待测器件100传播。

IV探头及示波器70检测脉冲传播传输线60上的入射和反射波形，并将数据传入微处理器90。

在微处理器90得到置信度足够高的数据之后，VDMOS 111导通，VDMOS 112关断。IV测量装置120检测待测器件100是否已经烧毁，如果烧毁则停止100ns脉冲宽度的测试，切换脉冲宽度或者停止整个测试；如果没有烧毁则提高冲击脉冲的电压幅度Vp重复测试直到测器件100出现烧毁现象。

综上所述，本发明提出了一种新型的功率器件控制自动化静电防护测试系统。所述新型传输线脉冲测试系统以半导体功率器件为开关装置，结合多个功率器件开关装置选择合适的充电传输线及其组合，可以实现多种脉冲宽度的脉冲测试系统。该新型传输线脉冲测试系统，利用半导体功率器件作为开关装置实现多路径控制，具有成本低、易于制造与调试、便于维护、稳定性好、使用灵活的特点，结合微控制器组成的自动测试系统，可应用于静电防护等自动化测试中，完全满足多脉冲宽度测试需求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.新型功率器件控制自动化静电防护测试系统的开关控制装置，其特征在于，以若干半导体功率器件分别置于电源与充电传输线之间，其控制信号接入微处理器；另外若干半导体功率器件分别置于所述充电传输线与脉冲传播传输线之间，其控制信号亦接入微处理器。

2.新型功率器件控制自动化静电防护测试系统的多种脉冲宽度方波发生装置，其特征在于，

半导体功率器件的控制端全部接入微处理器，微处理器通过设定好的开关顺序和选择相对应的开关路径，以电信号驱动半导体功率器件导通或者关断，完成系统各部分之间的连接和断开。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

包括若干充电传输线，包括分别置于电源与充电传输线之间的若干个半导体功率开关装置的第一半导体功率开关装置组，包括分别置于所述充电传输线与脉冲传播传输线之间的若干个半导体功率开关装置的第二半导体功率开关装置组，脉冲传播传输线和电源，若干二极管和电阻；

所述充电传输线具有相同的阻抗但是长度不同，能分别产生不同脉冲宽度的方形脉冲；

所述二极管用于消除反射回来的负向脉冲，所述电阻为终端电阻，其阻抗值与所述充电传输线相匹配；在所述脉冲传播传输线中冲击脉冲由所述充电传输线向待测器件方向传播。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

微处理器控制第一半导体功率开关装置组中的一个或者多个导通、第二半导体功率开关装置组全部断开；电源对充电传输线中的一个或者多个充电；之后，微处理器控制第一半导体功率开关装置组全部断开、第二半导体功率开关装置组中的一个或者多个导通，充电传输线中的一个或者多个与脉冲传播传输线连接，形成多种不同脉冲宽度的冲击脉冲；

不同脉冲宽度由不同充电传输线及其组合形成；

脉冲电压幅度由电源决定，脉冲电压幅度与脉冲宽度一起决定了冲击脉冲的能量。

5.测量电子元器件静电放电特性的自动化静电防护测试系统，其特征在于：

包括权利要求2-4中任意一项所述的多种脉冲宽度方波发生装置、微处理器、IV探头及示波器、半导体功率开关装置A、半导体功率开关装置B和IV测量装置；

所述多种脉冲宽度方波发生装置用于在微处理器的控制下产生不同脉冲宽度的冲击脉冲；

IV探头及示波器用于检测脉冲传播传输线上的入射和反射波形；

IV测量装置用于监控待测器件是否已经烧毁，判断标准根据具体测试需求决定。

6.测量电子元器件静电放电特性的自动化静电防护测试系统的集中控制的自动化测试方法，其特征在于，由微处理器集中控制，通过控制第一半导体功率开关装置组、第二半导体功率开关装置组、半导体功率开关装置A、半导体功率开关装置B的导通与关断来实现。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

半导体功率开关装置A关断，半导体功率开关装置B导通；

在微处理器控制下某个脉冲宽度与电压幅度一定的冲击脉冲向待测器件方向传播并冲击待测器件，产生的反射和入射波被IV探头及示波器检测到并传入微处理器进行分析计算与存储；

经过一个或者多个脉冲宽度与电压幅度一定的冲击脉冲冲击待测器件、微处理器得到符合要求的置信度的数据之后，半导体功率开关装置A导通，半导体功率开关装置B关断；

IV测量装置检测待测器件是否在之前的冲击中烧毁；如果烧毁，则停止测试；如果没有烧毁，则改变冲击脉冲重复测试。