CN109738781A - 基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体器件测试技术领域，涉及基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，包括测试电路板、信号发生器和红外热成像仪，用于安装被测器件T的测试电路板与信号发生器连接，所述红外热成像仪的观测窗口对准被测器件T，用于拍摄及显示测试过程中被测器件T的温度分布图像；本发明半导体功率器件动态测试系统能够监测功率器件在测试中任一时间点器件的热分布，通过形成不同时间点的热分布图像，能够获得功率器件测试过程中电流转移的全过程，从而能够了解到器件所有存在的薄弱点；本测试系统能够应用于大多数功率器件，适用性广，对提升器件设计能力、提升产品竞争力有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体功率器件动态测试系统及其方法，具体是一种基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统及其方法，用于监测功率器件在测试过程中的发热状况，属于功率半导体器件测试技术领域。
背景技术
功率器件的可靠性通常由器件在不失效的前提下能够吸收的最大能量来衡量，该最大能量受到功率器件内部的结构参数的限制，并且该最大能量被器件内部的电热特性严重的影响。举例来说，在功率器件的非钳位感性开关（UIS）测试过程中，电流会向着器件内部耐压最低的击穿薄弱点汇聚，当电流开始汇聚后，击穿薄弱点处的温度迅速上升，由于功率器件的耐压会随着温度的上升而增加，导致击穿薄弱点处的耐压增加，当击穿薄弱点的耐压高于其它位置的耐压时，电流会向着耐压低的位置转移和汇聚，如果击穿薄弱点的耐压始终无法超过其它位置，器件就会在击穿薄弱点处烧毁。如果电流无法从耐压最低的击穿薄弱点处转移走，那么器件在不失效的前提下能够吸收的最大能量就会大大减小，不利于器件的推广使用。
目前，功率器件在动态测试过程中（例如UIS测试、短路测试等）经常出现局部烧毁的现象，烧毁的位置主要有终端、终端拐角、栅极打线位置等。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种新的测试系统，该系统能够监测功率器件在测试中任一时间点器件的热分布，通过形成不同时间点的热分布图像，能够获得功率器件测试过程中电流转移的全过程，从而能够了解到器件所有存在的薄弱点；本测试系统能够应用于大多数功率器件，适用性广，对提升器件设计能力、提升产品竞争力有重大意义。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，包括测试电路板、信号发生器和红外热成像仪，其特征在于：用于安装被测器件T的测试电路板与信号发生器连接，所述红外热成像仪的观测窗口对准被测器件T，用于拍摄及显示测试过程中被测器件T的温度分布图像。
进一步地，所述测试电路板包括开关失效测试电路板、非钳位感性测试电路板或短路测试电路板。
进一步地，所述开关失效测试电路板包括电源S、稳压电容C、开关管T1、被测器件T、控制晶体管T2、电感L及续流二极管D，所述稳压电容C与电源S并联，所述电源S的正极接开关管T1的漏极，所述开关管T1的源极分别与续流二极管D的负极、电感L的一端连接，所述续流二极管D的正极与电感L的另一端连接，所述电感L的另一端分别与被测器件T的漏极、控制晶体管T2的漏极连接，所述被测器件T的源极、控制晶体管T2的源极均与电源S的负极连接。
进一步地，所述非钳位感性测试电路板包括电源S、稳压电容C、开关管T1、被测器件T、控制晶体管T2、电感L及续流二极管D，所述稳压电容C与电源S并联，所述电源S的正极接开关管T1的漏极，所述开关管T1的源极分别与续流二极管D的负极、电感L的一端连接，所述续流二极管D的正极与被测器件T的源极、控制晶体管T2的源极、电源S的负极连接，所述电感L的另一端分别与被测器件T的漏极、控制晶体管T2的漏极连接。
进一步地，所述信号发生器与被测器件T、开关管T1及控制晶体管T2的栅极连接，用于提供栅极电压使器件导通。
进一步地，所述控制晶体管T2的击穿电压大于被测器件T的击穿电压。
进一步地，所述被测器件T为未封装的器件，且芯片表面裸露，在芯片表面有打线。
为了进一步实现以上技术目的，本发明还提出一种如权利要求1所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一. 搭建测试系统：将被测器件T安装在测试电路板上，将信号发生器与测试电路板上的开关管T1、被测器件T及控制晶体管T2的栅极连接，同时将红外热成像仪的观测窗口对准被测器件T；
步骤二. 开关失效测试：在一个测试周期开始后，信号发生器在t0时刻给开关管T1的栅极输出高电平，开关管T1开启，电感L开始续流，随后在t1时刻给被测器件T的栅极输出高电平，被测器件T开启，此时，电感L中电流流过被测器件T，流过被测器件T的电流逐渐增大；
步骤三. 信号发生器在t2时刻给被测器件T的栅极输出低电平，被测器件T关断，流过被测器件T的电流瞬间减小，随后在t3时刻给控制晶体管T2的栅极输出高电平，控制晶体管T2开启，被测器件T被短路，电感L中电流流过控制晶体管T2，流过控制晶体管T2的电流逐渐增大；
步骤四. 信号发生器在t4时刻给开关管T1的栅极输出低电平，开关管T1关断，同时在t4时刻给控制晶体管T2的栅极输出低电平，控制晶体管T2关断，此时电感L续流的电流通过续流二极管D进行放电，当电路中的电流为0A时，一个开关测试周期完成；
步骤五. 重复上述步骤二、步骤三和步骤四，循环多个开关周期，直到被测器件T上积累足够热量，且通过红外热成像仪能够拍摄到被测器件T芯片表面在开关过程中的热分布情况；
为了进一步实现以上技术目的，本发明还提出一种如权利要求1所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一. 搭建测试系统：将被测器件T安装在测试电路板上，将信号发生器与测试电路板上的开关管T1、被测器件T及控制晶体管T2的栅极连接，同时将红外热成像仪的观测窗口对准被测器件T；
步骤二. UIS失效测试：在一个测试周期开始后，信号发生器在t0时刻给开关管T1和被测器件T的栅极输出高电平，开关管T1和被测器件T均开启，电感L开始续流，此时，流过被测器件T的电流逐渐增大；
步骤三.信号发生器在t1时刻给开关管T1和被测器件T的栅极输出低电平，开关管T1和被测器件T关断，电感L继续放电，此时，被测器件T进入雪崩击穿状态，流过被测器件T的电流逐渐减小，且通过续流二极管D形成续流回路；
步骤四. 随后信号发生器在t2时刻给控制晶体管T2的栅极输出高电平，控制晶体管T2开启，被测器件T被短路电流瞬间减小，流过控制晶体管T2的电流瞬间增大然后逐渐减小，直到能量被完全释放，随后t3时刻给控制晶体管T2的栅极输出低电平，控制晶体管T2关断；
步骤五. 重复上述步骤二、步骤三和步骤四，使被测器件T反复发生雪崩击穿并积累热量，并通过红外热成像仪拍摄到被测器件T芯片表面在雪崩条件下的热分布情况、发热点的转移情况及击穿点。
进一步地，所述被测器件T与控制晶体管T2并联，通过信号发生器来控制被测器件T开启关断的时刻，进而能控制流过被测器件T的电流大小，通过信号发生器来控制控制晶体管T2开启关断的时刻，实现被测器件T反复开启关断及反复发生雪崩。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1）现有技术是使用热成像仪，直接拍摄被测器件T的工作过程，直接获得器件的热分布的变化情况，但是对热成像仪的要求很高，一般需要高速热成像仪，热成像仪的帧数越大越好，但是这类仪器的成本非常高；本发明不需要高速热成像仪，普通的高分辨率红外热成像仪就可以满足需求，成本较低；
2）现有UIS测试方法的器件只经历一次雪崩，并发生击穿，普通的红外热成像仪无法获取雪崩击穿过程中发热情况及发热点的转移情况，而本发明是被测器件T经历多次非完整的雪崩过程，直到击穿，通过红外热成像仪能观测到整个击穿过程中器件的发热情况、发热点的转移及雪崩击穿点；
3）现有短路测试方法的器件只开启一次直到烧毁，普通的红外热成像仪无法获取雪崩击穿过程中发热情况及发热点的转移情况，而本发明是被测器件T经历多次开启和短路过程，直到烧毁，通过红外热成像仪能观测到整个短路过程中器件的发热情况、发热点的转移及击穿点；
4）本发明适用于器件动态测试中不同参数的测试及各种功率器件测试中的热分布情况；
5）本发明可以观察到功率器件任意时刻的温度分布状态，并且能够获得清晰的图像。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的测试电路板（开关失效测试电路板）示意图。
图2为本发明开关失效测试中的栅极信号以及流过被测器件和控制晶体管的电流的示意图。
图3为本发明提供的测试电路板（非钳位感性测试电路板）示意图。
图4为本发明UIS失效测试中的栅极信号以及流过被测器件电流的示意图。
图5为本发明短路测试中的被测器件栅极信号以及流过被测器件电流的示意图。
附图标记说明：1-测试电路板、2-信号发生器、3-红外热成像仪。
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。
本实施例1中基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，包括测试电路板1、信号发生器2和红外热成像仪3，用于安装被测器件T的测试电路板1与信号发生器2连接，所述红外热成像仪3的观测窗口对准被测器件T，用于拍摄及显示测试过程中被测器件T的温度分布图像。
如附图1所示，所述测试电路板1为开关失效测试电路板，包括电源S，稳压电容C，开关管T1、被测器件T、控制晶体管T2、电感L及续流二极管D，所述稳压电容C与电源S并联，所述电源S的正极接开关管T1的漏极，所述开关管T1的源极分别与续流二极管D的负极、电感L的一端连接，所述续流二极管D的正极与电感L的另一端连接，所述电感L的另一端分别与被测器件T的漏极、控制晶体管T2的漏极连接，所述被测器件T的源极、控制晶体管T2的源极均与电源S的负极连接；
如图3所示，所述测试电路板1为非钳位感性测试电路板，包括电源S，稳压电容C，开关管T1、被测器件T、控制晶体管T2、电感L及续流二极管D，所述稳压电容C与电源S并联，所述电源S的正极接开关管T1的漏极，所述开关管T1的源极分别与续流二极管D的负极、电感L的一端连接，所述续流二极管D的正极与被测器件T的源极、控制晶体管T2的源极、电源S的负极连接，所述电感L的另一端分别与被测器件T的漏极、控制晶体管T2的漏极连接；
所述信号发生器2与被测器件T、开关管T1及控制晶体管T2的栅极连接，用于提供栅极电压使器件导通。
本实施例1中所述控制晶体管T2的击穿电压大于被测器件T的击穿电压，这样保证被测器件T在被击穿前控制晶体管T2未被击穿；所述测试电路板1可以是非钳位感性测试电路板，也可以是开关失效测试电路板，也可以是短路测试电路板等；所述被测器件T为未封装的器件，且芯片表面裸露，在芯片表面有打线，便于观测芯片表面的发热情况及打线处的击穿情况。
如上实施例1中的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试方法，包括如下步骤：
步骤一. 搭建测试系统：将被测器件T安装在测试电路板1上，将信号发生器2与测试电路板1上的开关管T1、被测器件T及控制晶体管T2的栅极连接，同时将红外热成像仪3的观测窗口对准被测器件T；
如图1和图2所示，步骤二. 开关失效测试：在一个测试周期开始后，信号发生器2在t0时刻给开关管T1的栅极输出高电平，开关管T1开启，电感L开始续流，随后在t1时刻给被测器件T的栅极输出高电平，被测器件T开启，此时，电感L中电流流过被测器件T，流过被测器件T的电流逐渐增大；
步骤三. 信号发生器2在t2时刻给被测器件T的栅极输出低电平，被测器件T关断，流过被测器件T的电流瞬间减小，随后在t3时刻给控制晶体管T2的栅极输出高电平，控制晶体管T2开启，被测器件T被短路，电感L中电流流过控制晶体管T2，流过控制晶体管T2的电流逐渐增大；
步骤四. 信号发生器2在t4时刻给开关管T1的栅极输出低电平，开关管T1关断，同时在t4时刻给控制晶体管T2的栅极输出低电平，控制晶体管T2关断，此时电感L续流的电流通过续流二极管D进行放电，一个开关测试周期完成；
步骤五. 重复上述步骤二、步骤三和步骤四，循环多个开关周期，直到被测器件T上积累足够热量，且通过红外热成像仪3能够拍摄到被测器件T芯片表面在开关过程中的热分布情况；
如图3和图4所示，步骤六. UIS失效测试：在一个测试周期开始后，信号发生器2在t0时刻给开关管T1和被测器件T的栅极输出高电平，开关管T1和被测器件T均开启，电感L开始续流，此时，流过被测器件T的电流逐渐增大；
步骤七. 信号发生器2在t1时刻给开关管T1和被测器件T的栅极输出低电平，开关管T1和被测器件T关断，电感L继续放电，此时，被测器件T进入雪崩击穿状态，流过被测器件T的电流逐渐减小，且通过续流二极管D形成续流回路；
步骤八. 随后信号发生器2在t2时刻给控制晶体管T2的栅极输出高电平，控制晶体管T2开启，被测器件T被短路电流瞬间减小，流过控制晶体管T2的电流瞬间增大然后逐渐减小，直到能量被完全释放，随后t3时刻给控制晶体管T2的栅极输出低电平，控制晶体管T2关断；
步骤九. 重复上述步骤六、步骤七和步骤八，使被测器件T反复发生雪崩击穿并积累热量，并通过红外热成像仪3拍摄到被测器件T芯片表面在雪崩条件下的热分布情况、发热点的转移情况及击穿点。
所述被测器件T与控制晶体管T2并联，通过信号发生器2来控制被测器件T开启关断的时刻，进而能控制流过被测器件T的电流大小，通过信号发生器2来控制控制晶体管T2开启关断的时刻，实现被测器件T反复开启关断及反复发生雪崩。
当测试电路板1为短路测试电路板时，本发明还可进行短路测试：
短路测试电路板仅包括电源S和被测器件T，电源S的正负极分别与被测器件T的漏极和源极连接，栅极与信号发生器2连接；
如图5所示，a、在一个测试周期开始后，信号发生器2在t0时刻给被测器件T的栅极输出高电平，被测器件T开启，流过被测器件T的电流迅速增大；
b、在被测器件T被烧毁前，信号发生器2在t1时刻给被测器件T的栅极输出低电平，被测器件T关断，流过被测器件T的电流瞬间减小，直到被测器件T内的电流下降至0A，当到达t2时刻时，完成一个周期；
c、重复步骤a和步骤b，使被测器件T反复开启并短路，直到通过红外热成像仪3拍摄到被测器件T芯片表面在短路情况下的热分布情况、发热点的转移情况。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，包括测试电路板（1）、信号发生器（2）和红外热成像仪（3），其特征在于：用于安装被测器件T的测试电路板（1）与信号发生器（2）连接，所述红外热成像仪（3）的观测窗口对准被测器件T，用于拍摄及显示测试过程中被测器件T的温度分布图像。
2.根据权利要求1所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，其特征在于：所述测试电路板（1）包括开关失效测试电路板、非钳位感性测试电路板或短路测试电路板。
3.根据权利要求2所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，其特征在于：所述开关失效测试电路板包括电源S、稳压电容C、开关管T1、被测器件T、控制晶体管T2、电感L及续流二极管D，所述稳压电容C与电源S并联，所述电源S的正极接开关管T1的漏极，所述开关管T1的源极分别与续流二极管D的负极、电感L的一端连接，所述续流二极管D的正极与电感L的另一端连接，所述电感L的另一端分别与被测器件T的漏极、控制晶体管T2的漏极连接，所述被测器件T的源极、控制晶体管T2的源极均与电源S的负极连接。
4.根据权利要求2所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，其特征在于：所述非钳位感性测试电路板包括电源S、稳压电容C、开关管T1、被测器件T、控制晶体管T2、电感L及续流二极管D，所述稳压电容C与电源S并联，所述电源S的正极接开关管T1的漏极，所述开关管T1的源极分别与续流二极管D的负极、电感L的一端连接，所述续流二极管D的正极与被测器件T的源极、控制晶体管T2的源极、电源S的负极连接，所述电感L的另一端分别与被测器件T的漏极、控制晶体管T2的漏极连接。
5.根据权利要求3或4所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，其特征在于：所述信号发生器（2）与被测器件T、开关管T1及控制晶体管T2的栅极连接，用于提供栅极电压使器件导通。
6.根据权利要求3或4所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，其特征在于：所述控制晶体管T2的击穿电压大于被测器件T的击穿电压。
7.根据权利要求1所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试系统，其特征在于：所述被测器件T为未封装的器件，且芯片表面裸露，在芯片表面有打线。
8.一种如权利要求1所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一. 搭建测试系统：将被测器件T安装在测试电路板（1）上，将信号发生器（2）与测试电路板（1）上的开关管T1、被测器件T及控制晶体管T2的栅极连接，同时将红外热成像仪（3）的观测窗口对准被测器件T；
步骤二. 开关失效测试：在一个测试周期开始后，信号发生器（2）在t0时刻给开关管T1的栅极输出高电平，开关管T1开启，电感L开始续流，随后在t1时刻给被测器件T的栅极输出高电平，被测器件T开启，此时，电感L中电流流过被测器件T，流过被测器件T的电流逐渐增大；
步骤三. 信号发生器（2）在t2时刻给被测器件T的栅极输出低电平，被测器件T关断，流过被测器件T的电流瞬间减小，随后在t3时刻给控制晶体管T2的栅极输出高电平，控制晶体管T2开启，被测器件T被短路，电感L中电流流过控制晶体管T2，流过控制晶体管T2的电流逐渐增大；
步骤四. 信号发生器（2）在t4时刻给开关管T1的栅极输出低电平，开关管T1关断，同时在t4时刻给控制晶体管T2的栅极输出低电平，控制晶体管T2关断，此时电感L续流的电流通过续流二极管D进行放电，当电路中的电流为0A时，一个开关测试周期完成；
步骤五. 重复上述步骤二、步骤三和步骤四，循环多个开关周期，直到被测器件T上积累足够热量，且通过红外热成像仪（3）能够拍摄到被测器件T芯片表面在开关过程中的热分布情况。
9.一种如权利要求1所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一. 搭建测试系统：将被测器件T安装在测试电路板（1）上，将信号发生器（2）与测试电路板（1）上的开关管T1、被测器件T及控制晶体管T2的栅极连接，同时将红外热成像仪（3）的观测窗口对准被测器件T；
步骤二. UIS失效测试：在一个测试周期开始后，信号发生器（2）在t0时刻给开关管T1和被测器件T的栅极输出高电平，开关管T1和被测器件T均开启，电感L开始续流，此时，流过被测器件T的电流逐渐增大；
步骤三.信号发生器（2）在t1时刻给开关管T1和被测器件T的栅极输出低电平，开关管T1和被测器件T关断，电感L继续放电，此时，被测器件T进入雪崩击穿状态，流过被测器件T的电流逐渐减小，且通过续流二极管D形成续流回路；
步骤四. 随后信号发生器（2）在t2时刻给控制晶体管T2的栅极输出高电平，控制晶体管T2开启，被测器件T被短路电流瞬间减小，流过控制晶体管T2的电流瞬间增大然后逐渐减小，直到能量被完全释放，随后t3时刻给控制晶体管T2的栅极输出低电平，控制晶体管T2关断；
步骤五. 重复上述步骤二、步骤三和步骤四，使被测器件T反复发生雪崩击穿并积累热量，并通过红外热成像仪（3）拍摄到被测器件T芯片表面在雪崩条件下的热分布情况、发热点的转移情况及击穿点。
10.根据权利要求8或9所述的基于热成像技术的半导体功率器件动态测试方法，其特征在于，所述被测器件T与控制晶体管T2并联，通过信号发生器（2）来控制被测器件T开启关断的时刻，进而能控制流过被测器件T的电流大小，通过信号发生器（2）来控制控制晶体管T2开启关断的时刻，实现被测器件T反复开启关断及反复发生雪崩。
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