CN108562841A - 电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法及装置 - Google Patents

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CN108562841A CN201810611740.7A CN201810611740A CN108562841A CN 108562841 A CN108562841 A CN 108562841A CN 201810611740 A CN201810611740 A CN 201810611740A CN 108562841 A CN108562841 A CN 108562841A
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李文江
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Abstract

本发明涉及一种电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法及装置，其对HTRB中、H3TRB中或HTGB中，利用采样电路采集所需的泄漏电流，所述采样电路包括用于与待测半导体器件相应端脚连接的运算放大器，所述运算放大器的同相端接地，运算放大器的反相端与待测半导体器件的端脚连接，且运算放大器的反相端通过放大器反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接；在运算放大器的输出端得到输出电压Vout后，泄漏电流ILK＝Vout/RIV，其中，Vout为运算放大器的输出电压，RIV为放大器反馈电路。本发明能有效实现对泄漏电流的检测，且不会影响HTRB、H3TRB、HTGB试验中所施加的电学应力条件，安全可靠。

Description

电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种检测方法及装置，尤其是一种电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法及装置，属于半导体器件试验检测的技术领域。
背景技术
高温反偏试验(HTRB：High Temperature Reverse Bias)，是一种加速寿命试验。试验时，给待测半导体器件施加特定的电学条件，然后将半导体器件在特定温度的高温环境中(如125℃)放置特定时间(如1000小时)。通过给待测半导体器件施加这类恶劣的环境及电学应力来考察待测半导体器件的特性是否会出现退化，从而来判定或评估待测半导体器件的品质。
高温高湿反偏试验(H3TRB：High Temperature High Humidity Reverse Bias)，是一种加速寿命试验。试验时，给待测半导体器件施加特定的电学条件，然后将半导体器件在特定温度和湿度的环境中(通常温度为85℃，相对湿度为85％)放置特定时间(如1000小时)。通过给待测半导体器件施加这类恶劣的环境及电学应力来考察待测半导体器件的特性是否会出现退化，从而来判定或评估待测半导体器件的品质。
HTRB与H3TRB试验的主要差别在于环境条件，HTRB是将半导体器件放置在高温环境中，H3TRB则是将半导体器件放置在高温高湿环境中。两个试验的电学条件虽然也有差异，但试验的基本电路原理几乎一样。
图1、图2、图3分别为二极管类、IGBT类器件、MOSFET/HEMT类器件HTRB或H3TRB试验电路原理。
如图1所示，对于二极管类器件，通过恒压电源在二极管类器件的阴极-阳极间施加特定的电压应力VKK。电源和二极管类器件间通常会串联有一个电阻R(限流及保护作用，防止样品失效后电源输出直接被短路到大地)。
如图2所示，对于IGBT类器件，通过恒压电源在IGBT类器件的集电极-发射极间施加特定的电压应力VCC。电源和样品间通常会串联有一个电阻R(限流及保护作用，防止样品失效后电源输出直接被短路到大地)。待测器件的栅极-发射极间可直接短路或施加特定偏压VGG。
如图3所示，对于MOSFET或HEMT类器件，通过恒压电源在其漏极-源极间施加特定的电压应力VDD。电源和MOSFET或HEMT类器件间通常会串联有一个电阻R(限流及保护作用，防止样品失效后电源输出直接被短路到大地)。待测器件的栅极-源极间可直接短路或施加特定偏压VGG。
具体的试验方法可以参考国际或行业标准上。由于不同类型器件的电极名称有较大差别，为了方便描述，将二极管器件的阴极-阳极间、IGBT器件的集电极-发射极间、MOSFET或HEMT器件的漏极-源极间所施加的偏置电压统一称为反偏电压，记为VR。将施加该反偏电压的电源称为反偏电源，其输出记为VR-PS。对于IGBT、MOSFET和HEMT等具有栅极的器件，其栅极-发射极(或栅极-源极)是所施加电压统称为栅偏电压，记为VGG。将施加该反偏电压的电源称为栅偏电源，其输出记为VG-PS。在HTRB或H3TRB试验过程中，半导体器件在VR作用下会有泄漏电流。对于二极管器件，泄漏电流记为IR；对于IGBT器件，泄漏电流记为ICES；对于MOSFET或HEMT器件，泄漏电流记为IDSS。为方便描述，下述泄漏电流统一记为ILK。
如图4所示，为现有HTRB或H3TRB试验中(图中为二极管，其它类型的器件原理相似)的反偏电压作用下的泄露电流ILK的测试方法。VR-PS为反偏电压，R为保护电阻(限流和保护作用)，RS为采样电阻(采样作用)。泄露电流ILK通过待测半导体器件后流经采样电阻RS，然后流向大地。根据欧姆定律，采样电阻RS两端的电压差为ILK×RS。该电压作为后级的放大电路(假设放大倍数为A)的输出电压，则放大电路输出电压Vout＝A×Vin＝A×ILK×RS。通过采集放大电路的输出电压Vout，便可得到计算出栅极泄露电流ILK＝Vout/(A×RS)。
例如，二极管器件HTRB试验的典型条件为VR＝80％*VRRM，T＝125℃，t＝1000h(VRRM为二棚管的最高反向工作电压)。试验时反偏电源输出为VR-PS，则待测器件上反偏电压VR＝VR-PS-ILK×(R+RS)(R和RS阻值通常为102～104Ω)。
采样电阻RS将待测器件DUT的泄漏电流转换为电压，后经过放大电路放大，进而进入到后级采样电路。该电路简单直观，但是其缺点是：漏电流会在采样电阻RS上产生明显压降。常规未失效的器件反偏泄露电流通常处于1μA～100mA范围之内。为了采集这个范围内的泄露电流，通常需要阻值为102～104Ω范围内的电阻器。当待测器件DUT的反偏泄漏电流接近100mA时，将会在采样电阻RS上产生几十伏的压降。这样本来应该施加在待测器件上的电压有可能会被采样电阻分担掉一部分，造成待测器件上的电压较明显地偏离了试验条件，导致试验的准确性大大降低。
一种可解决此问题的方法是根据栅极泄露电流ILK的大小相应地提高栅偏电源VR-PS的值，使VR-PS＝VR+ILK×RS。这样待测器件的VR将更接近试验所要求的反偏电压值。但这种方法的局限性是只能测试一个样品。事实上，为了节省测试系统的硬件成本，栅极偏置电压源通常要同时为多路待测器件施加电压，如图5所示。因为不同器件的反偏泄漏电流通常会有较大差异，通过调整栅偏电源VR-PS的值只能保证其中的一个待测器件的VR接近试验条件要求值。
另外，保护电阻R上也因流过了ILK而产生R×ILK的压降，也会分担掉本应该施加到待测器件上的电压，而且该电压也太容易通过相应地提高栅偏电源VR-PS的值来补偿掉(因为不同样品的ILK不同，要想补偿的话需要每个测试通道使用一台电源来单独施加反偏电压，由于成本太高而不会被采用)。但由于该保护电阻R是必不可少的(否则有可能在样品短路时将测试系统本身烧毁)，故不得不接受其分担掉电压的缺点。
高温栅偏试验(HTGB：High Temperature Gate Bias)，是一种加速寿命试验。试验时给待测器件(具有MOS栅结构的一类器件，如IGBT，MOSFET，HEMT等)的栅极施加特定的电压，然后将样品在特定温度的高温环境中(如125℃)放置特定时间(如1000小时)。通过给待测器件施加这类恶劣的环境及电学应力来考察待测样品的特性是否会出现退化，从而来判定或评估待测样品的品质。
图7所示，为IEC-60747-9标准中关于IGBT器件HTGB试验方法的电路原理图。IGBT器件的发射极(E)与集电极(C)被短路接地，一个正电压(VGG1)或负电压(VGG2)通过一个栅极电阻R1施加到栅极(G)与发射极之间。
对于其它器件如MOSFET或HEMT等具有MOS结构的器件，其电路原理与图7所示相似。不同之处是将待测器件的源极(S)和漏极(D)短路到地，然后在栅极(G)和漏极(D)之间施加特定偏置电压。具体方法在国际或行业标准上都有介绍。
图8所示，为现有技术方案对HTGB试验样品栅极泄露电流的测试方法。VR-PS为栅极偏置电源的输出电压，可为正压，也可为负压。RG为栅极电阻(限流和保护作用)，RS为采样电阻(采样作用)。泄露电流ILK从待测器件DUT的栅极流向发射极E(或者源极S)后流经采样电阻RS，然后流向大地。根据欧姆定律，采样电阻两端的电压差为ILK×RS。该电压作为后级的放大电路(假设放大倍数为A)的输出电压，侧放大电路输出电压Vout＝A×Vin＝A×ILK×RS。通过采集Vout，便可得到计算出栅极泄露电流ILK＝Vout/(A×RS)。
例如，IGBT器件HTGB试验的典型条件为VGE＝+20V(or-20V)，VCE＝0V，T＝125℃，t＝1000h。试验时栅极偏置电源输出VR-PS为+20V(或-20V)，则样品VGE＝VR-PS-ILK×(RG+RS)≈VPS-ILK×RS(RG通常远远小于RS，故可忽略不计)。
采样电阻RS将待测器件DUT的栅极泄漏电流转换为电压，后经过放大电路放大，进而进入到后级采样电路。该电路简单直观，但是其缺点是：漏电流会在RS上产生明显压降。常规未失效的IGBT器件栅极泄露电流通常处于1pA～100nA范围之内。为了采集这个范围内的泄露电流，通常需要阻值为100MΩ附近的电阻器。当待测器件DUT的栅极泄漏电流接近100nA时，将会在100MΩ的采样电阻上产生近10V的压降。这样施加在待测样品上的电压为VGE＝VR-PS-ILK×(RG+RS)≈VR-PS-ILK×RS≈10V。可见样品上的电压较大幅度地偏离了试验条件，导致试验的准确性大大降低。
一种可解决此问题的方法是根据栅极泄露电流ILK的大小相应地提高VR-PS的值，使VR-PS＝20V+ILK×RS。这样VGE将能保持在20V左右。但这种方法的局限性是只能测试一个器件。事实上，为了节省测试系统的硬件成本，栅极偏置电压源通常要同时为多路待测样品施加电压，如图9所示。因为不同样品的栅极泄漏电源通常会有较大差异，通过调整VR-PS的值只能保证其中的一个待测器件的VGE接近试验条件要求值(如+20V)。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法及装置，其能有效实现对泄漏电流的检测，且不会影响HTRB、H3TRB、HTGB试验中所施加的电学应力条件，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述泄漏电流检测方法，对HTRB中、H3TRB中或HTGB中，利用采样电路采集所需的泄漏电流，所述采样电路包括用于与待测半导体器件相应端脚连接的运算放大器，所述运算放大器的同相端接地，运算放大器的反相端与待测半导体器件的端脚连接，且运算放大器的反相端通过放大器反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接；
在运算放大器的输出端得到输出电压Vout后，泄漏电流ILK＝Vout/RIV，其中，Vout为运算放大器的输出电压，RIV为放大器反馈电阻。
对HTRB中、H3TRB中，还包括用于对运算放大器进行保护的放大保护器，所述放大保护器与运算放大器的同相端、反相端适配连接，所述放大保护器包括TVS或稳压二极管。
在HTGB中，运算放大器的输入偏置电流不大于20nA，且运算放大器的同相端、反相端间在短期内能承受-20V～+20V的电压。
对HTRB中、H3TRB中，待测半导体器件包括二极管、IGBT、MOSFET/HEMT；对HTGB中，待测半导体器件包括IGBT、MOSFET或HEMT。
一种泄漏电流的检测装置，包括用于使得待测半导体器件产生泄漏电流的试验电路以及用于采集泄漏电流的采样电路，所述试验电路包括HTRB电路、H3TRB电路或HTGB电路；所述采样电路包括用于与待测半导体器件相应端脚连接的运算放大器，所述运算放大器的同相端接地，运算放大器的反相端与待测半导体器件的端脚连接，且运算放大器的反相端通过放大器反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接。
对HTRB中、H3TRB中，还包括用于对运算放大器进行保护的放大保护器，所述放大保护器与运算放大器的同相端、反相端适配连接，所述放大保护器包括TVS或稳压二极管。
在HTGB中，运算放大器的输入偏置电流不大于20nA，且运算放大器的同相端、反相端间在短期内能承受-20V～+20V的电压。
本发明的优点：采样电路中利用运算放大器与待测半导体器件适配连接，运算放大器的同相端接地，运算放大器的反相端与待测半导体器件的端脚连接，且运算放大器的反相端通过放大器反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接；在运算放大器的输出端得到输出电压Vout后，即能有效实现对泄漏电流的检测，利用运算放大器的特性可知，且不会影响HTRB、H3TRB、HTGB试验中所施加的电学应力条件，安全可靠。
附图说明
图1为现有二极管在HTRB或H3TRB试验中的电路原理图。
图2为现有IGBT器件在HTRB或H3TRB试验中的电路原理图。
图3为现有MOSFET/HEMT器件HTRB或H3TRB试验中的电路原理图。
图4为现有HTGB中待测半导体器件的栅极泄漏电流检测原理图。
图5为现有多路待测半导体器件同时做HTRB或H3TRB试验的原理图。
图6为本发明HTRB或H3TRB中泄漏电流检测的原理图。
图7为现有HTGB的原理图。
图8为现有HTGB中待测半导体器件中泄漏电流检测的原理图。
图9为现有多路待测半导体器件同时进行HTGB试验的原理图。
图10为本发明HTGB中待测半导体器件的泄漏电路检测的原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
为了能有效实现对泄漏电流的检测，且不会影响HTRB、H3TRB、HTGB试验中所施加的电学应力条件，本发明对HTRB中、H3TRB中或HTGB中，利用采样电路采集所需的泄漏电流，所述采样电路包括用于与待测半导体器件相应端脚连接的运算放大器，所述运算放大器的同相端接地，运算放大器的反相端与待测半导体器件的端脚连接，且运算放大器的反相端通过放大器反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接；
在运算放大器的输出端得到输出电压Vout后，泄漏电流ILK＝Vout/RIV，其中，Vout为运算放大器的输出电压，RIV为放大器反馈电阻。
具体地，对HTRB中、H3TRB中，待测半导体器件包括二极管、IGBT、MOSFET/HEMT；对HTGB中，待测半导体器件包括IGBT、MOSFET或HEMT。
如图6所示，为HTRB中、H3TRB中利用采样电路进行泄漏电流采样检测的示意图，当待测半导体器件为二极管时，二极管的阳极端与运算放大器U1的反相端连接，当待测半导体器件为IGBT器件时，将IGBT器件的集电极端与运算放大器U1的反相端连接，当待测半导体器件为MOSFET器件时，将MOSFET器件的漏极端与运算放大器的反相端连接，待测半导体器件与栅偏电源VG-PS间的具体连接配合构成HTRB或H3TRB试验的具体关系与现有相同，此处不再赘述。
根据运放“虚短”原理，待测半导体器件的阳极A(或集电极C、或漏极S)电位与大地相同，而且不论放大器反馈电阻RIV1和泄漏电流ILK的值是多大，采样电路都几乎不会分担电压，也就是说待测搬到器器件的VR在试验过程中可以更接近试验条件要求值，而且当多路待测样品并联测试时也能适用。样品的反偏泄漏电流可以通过ILK＝Vout/RIV1计算得到。因此，试验时只需要将反偏电压源输出电压VR-PS设置为试验条件要求的VR值即可。
对HTRB中、H3TRB中，还包括用于对运算放大器进行保护的放大保护器T1，所述放大保护器T1与运算放大器的同相端、反相端适配连接，所述放大保护器T1包括TVS或稳压二极管。即当待测半导体器件出现短路时，TVS或稳压二极管可以将运算放大器U1的输入电压嵌位到其可承受的范围之内，确保其不会在此过程中烧毁。
如图10所示，为HTGB中，利用采样电路进行泄漏电路采样检测的示意图，当待测半导体器件为IGBT时，IGBT器件的发射极与运算放大器U2的反相端连接，当待测半导体器件为MOSFET器件时，将MOSFET器件的源极端与运算放大器U2的反相端连接，待测半导体器件与栅偏电源VG-PS间构成HTGB试验的具体关系与现有相同，此处不再赘述。
根据运放“虚短”原理，待测半导体器件的发射极E(或源极S)电位与大地相同，故VGE＝VPS-ILK×RG≈VPS。而且不论放大器反馈电阻RIV2和泄漏电路ILK的值是多大，都不会影响VGE的值，也就是说待测半导体器件的VGE在试验过程中可以恒定。而且当多路待测样品并联测试时，也能保证各待测样品的VGE≈VPS。因此，试验时只需要将栅极偏置电压VPS设计为试验条件要求的VGE值即可。
具体实施时，在HTGB中，运算放大器U2的输入偏置电流不大于20nA，且运算放大器U2的同相端、反相端间在短期内能承受-20V～+20V的电压，短期的时间范围一般为200ms以内。
根据上述说明，可以得到用于泄漏电流的检测装置，包括用于使得待测半导体器件产生泄漏电流的试验电路以及用于采集泄漏电流的采样电路，所述试验电路包括HTRB电路、H3TRB电路或HTGB电路；所述采样电路包括用于与待测半导体器件相应端脚连接的运算放大器，所述运算放大器的同相端接地，运算放大器的反相端与待测半导体器件的端脚连接，且运算放大器的反相端通过放大器反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接。

Claims (7)

1.一种电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法，其特征是：对HTRB中、H3TRB中或HTGB中，利用采样电路采集所需的泄漏电流，所述采样电路包括用于与待测半导体器件相应端脚连接的运算放大器，所述运算放大器的同相端接地，运算放大器的反相端与待测半导体器件的端脚连接，且运算放大器的反相端通过放大器反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接，
在运算放大器的输出端得到输出电压Vout后，泄漏电流ILK＝Vout/RIV，其中，Vout为运算放大器的输出电压，RIV为放大器反馈电阻。
2.根据权利要求1所述的电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法，其特征是：对HTRB中、H3TRB中，还包括用于对运算放大器进行保护的放大保护器，所述放大保护器与运算放大器的同相端、反相端适配连接，所述放大保护器包括TVS或稳压二极管。
3.根据权利要求1所述的电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法，其特征是：在HTGB中，运算放大器的输入偏置电流不大于20nA，且运算放大器的同相端、反相端间在短期内能承受-20V～+20V的电压。
4.根据权利要求1所述的电子元器件环境老化测试中泄漏电流检测方法，其特征是：对HTRB中、H3TRB中，待测半导体器件包括二极管、IGBT、MOSFET/HEMT；对HTGB中，待测半导体器件包括IGBT、MOSFET或HEMT。
5.一种电子元器件环境老化测试中泄漏电流的检测装置，其特征是：包括用于使得待测半导体器件产生泄漏电流的试验电路以及用于采集泄漏电流的采样电路，所述试验电路包括HTRB电路、H3TRB电路或HTGB电路；所述采样电路包括用于与待测半导体器件相应端脚连接的运算放大器，所述运算放大器的同相端接地，运算放大器的反相端与待测半导体器件的端脚连接，且运算放大器的反相端通过放大器反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接。
6.根据权利要求5所述的电子元器件环境老化测试中泄漏电流的检测装置，其特征是：对HTRB中、H3TRB中，还包括用于对运算放大器进行保护的放大保护器，所述放大保护器与运算放大器的同相端、反相端适配连接，所述放大保护器包括TVS或稳压二极管。
7.根据权利要求5所述的电子元器件环境老化测试中泄漏电流的检测装置，其特征是：在HTGB中，运算放大器的输入偏置电流不大于20nA，且运算放大器的同相端、反相端间在短期内能承受-20V～+20V的电压。
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