CN114217261B - 一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，包括以下步骤：S1、对老化特征参数的采集时序进行设计；S2、在功率循环的每个测试周期对老化参数进行采集，刻画出原始的老化参数退化曲线；S3、每隔固定的功率循环测试周期，对各个老化参数的温敏特性进行测量。在功率循环测试结束后，利用数据拟合等方法得到不同阶段的老化参数的温敏系数；S4、利用老化参数采集时刻的温度和老化参数的温敏系数对老化参数退化曲线进行温度解耦校正。本发明解决了传统功率循环测试中得到的老化参数退化曲线同时耦合了老化和温度变化影响的问题，利用老化参数自身的温敏特性进行了温度解耦校正，从而得到更真实的老化参数退化曲线。

Description

一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法

技术领域

本发明属于功率半导体器件测试领域，具体涉及一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法。

背景技术

功率器件的可靠性问题正吸引着越来越多的关注。根据调查显示，电力电子装备故障中的34％是由功率器件失效造成的。因此探究功率器件的可靠性问题及其失效机理具有现实意义。功率循环测试是一种广泛采用的加速老化测试方法，它通过对被测器件间歇性的通以功率电流从而加速器件的老化。在功率循环测试中，器件的封装和芯片都会发生退化。通过在功率循环测试中对器件老化特征参数的监测，可以获得器件老化参数整个老化过程中的退化曲线，从而探究器件的失效机理。

在功率循环测试中，器件在每个测试周期中的结温摆幅和最低结温随着老化测试的进行都会逐渐发生改变，这是由于功率器件的封装和芯片的退化共同导致的。一方面，功率器件封装中的焊料层和绑定线等在功率循环测试中都会逐渐发生退化。焊料层的退化会增加器件的热阻，导致器件的散热条件变差。而绑定线的退化使得封装上的阻抗增大，从而增大功率循环测试中封装上产生的损耗；另一方面，功率器件的芯片的退化会导致其导通压降的增大，从而增大功率器件的导通损耗。

现有的功率循环测试方法中，在每个测试周期的固定时刻去对老化参数进行一次采集，从而得到整个测试周期中老化特征参数的退化曲线。考虑到器件的结温波动曲线随着功率循环测试的进行会逐渐发生改变，因此现有的功率循环测试方法中老化参数对应的采集温度也会逐渐增大。考虑到各个老化参数自身也是温敏电参数，因此现有的功率循环测试方法中得到的老化参数的退化曲线会同时耦合温度和老化两个因素的影响，从而无法很好的反映器件的老化失效规律。在此背景下，亟需老化参数校正方法对测量得到的退化曲线进行温度解耦校正。

鉴于此，本发明提出了一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，实现了对老化参数的温度解耦校正，从而实现对老化参数退化曲线的准确刻画。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，考虑到监测芯片退化的老化参数导通压降V_on和阈值电压V_th与温度敏感性较高，而监测封装绑定线退化的绑定线压降对温度的敏感性低，因此关注对导通压降V_on和阈值电压V_th的温度解耦校正，提供一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，其包括以下步骤：

一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，包括以下步骤：

S1、老化参数采集时序设计：功率器件的老化参数包括导通压降V_on和阈值电压V_th，根据老化参数是在器件导通时或是关断时采集的不同，确定需要采集的老化参数及采集时序；

S2、原始老化参数退化曲线拟合：在功率循环的每个测试周期对各个老化参数进行采集，从而拟合出原始的老化参数退化曲线；

S3、老化参数温敏系数计算：每隔固定的功率循环测试周期，对各个老化参数的温敏特性进行测量；在功率循环测试结束后，利用数据拟合方法得到不同测试周期下的老化参数的温敏系数；

S4、老化参数退化曲线温度解耦校正：利用老化参数采集时刻的温度和老化参数的温敏系数，对功率循环测试得到的老化参数退化曲线进行温度解耦校正，校正公式为：

其中，T₀为温度校正后的参考温度，T_j为被测功率器件的结温，N为功率循环测试周期数，

和

代表功率循环测试周期数为N时阈值电压V_th和导通压降V_on的温敏系数；V_th(N,T₀)和V_on(N,T₀)分别为将温度归一到参考温度T₀后的功率循环测试周期数为N时对应的校正后的阈值电压与导通压降；T_Vth(N)和T_Von(N)分别为功率循环测试周期数为N时对被测功率器件进行阈值电压V_th和导通压降V_on测量时的结温；V_th(N,T_Vth(N))和V_on(N,T_Von(N))分别为功率循环测试周期数为N时测量得到的阈值电压与导通压降。

进一步的，功率循环测试的一个测试周期分为加热阶段和冷却阶段，所述的导通压降V_on的采集时序安排在功率循环测试周期中加热阶段的末尾，所述的阈值电压V_th的采集时序安排在功率循环测试周期中冷却阶段的末尾。具体的，监测芯片状态的导通压降需要在器件开通并通过加热电流时进行测量；而阈值电压通常需要在器件关断时进行测量。在加热阶段中，器件的结温上升速度逐渐平缓。在下降阶段中，器件结温的下降速度也逐渐减慢。因此，将器件开通时进行采集的老化特征参数如导通电压V_on安排在器件加热阶段的末尾，将器件关断时进行采集的老化特征参数如阈值电压等安排在冷却阶段的末尾。这样做可以避免不同次老化参数采集时对应的器件结温差异过大，另外在结温变化缓慢的阶段可以更加精确地获得老化参数采集时刻对应的温度。

进一步的，所述的老化参数的温敏系数计算公式为：

其中，f₁(N)和f₂(N)分别表示阈值电压和导通压降的温敏系数与功率循环测试周期数的函数关系。

进一步的，在每次进行老化参数采集的前后都进行一次器件温度的采集，将前后两次结温测量的均值作为对被测功率器件进行阈值电压V_th和导通压降V_on测量时的结温，表示为：

其中，T_{Vth_pre}(N)和T_{Von_pre}(N)为功率循环测试周期数为N时分别对阈值电压、导通压降进行测量前测量得到的器件的结温；T_{Vth_aft}(N)和T_{Von_aft}(N)为功率循环测试周期数为N时分别在阈值电压、导通压降测量结束后测量得到的器件的结温。

进一步的，通过修改校正后的参考温度T₀，得到不同温度下的老化参数的退化曲线。

综上所述，本发明利用老化参数自身的温敏特性，实现了对功率循环测试中老化参数的温度解耦校正，解决了传统功率循环测试方案中得到的老化参数退化曲线中耦合了温度的问题。

基于上述技术方法，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明针对功率循环测试中老化参数采集点温度会发生漂移的情况，提出了由老化参数的温敏特性和老化参数采集时刻对应的温度来对老化参数退化曲线进行温度解耦校正的方法，实现了老化参数的温度解耦监测，有利于刻画更真实的退化曲线；

(2)本发明可以得到老化参数在不同温度下的退化特性，比传统监测方法多了一个维度，有利于更全面的探究规律器件的失效机理及失效规律；

(3)本发明在实现上无需多余的硬件成本，实现起来方便快捷，有利于其推广和应用。

附图说明

图1为实施例示出的每个测试周期器件结温的变化和采样时序安排；

图2为实施例示出的温度解耦校正前的阈值电压的退化曲线；

图3为实施例示出的老化参数测量时对应温度的改变；

图4为实施例示出的随着功率循环的进行阈值电压的变化；

图5为实施例示出的不同功率循环测试周期数下的阈值电压温敏系数的拟合曲线；

图6为实施例示出的温度解耦校正前后的阈值电压的退化曲线；

图7为实施例示出的一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法的流程图。

具体实施方式

为了更详细地阐述本发明，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供了一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，可以对测量得到的老化参数退化特性进行温度解耦校正，其包括以下步骤：

S1、老化参数采集时序设计：根据老化参数是在器件导通时或是关断时采集的不同，对老化特征参数的采集时序进行设计；

S2、老化参数退化曲线刻画：在功率循环的每个测试周期，对各个老化参数进行采集，从而刻画出原始的老化参数退化曲线；

S3、老化参数温敏系数计算：每隔固定的功率循环测试周期，对各个老化参数的温敏特性进行一次测量。在功率循环测试结束后，利用数据拟合等方法得到不同测试周期下的老化参数的温敏系数；

S4、老化参数退化曲线温度解耦校正：利用老化参数采集时刻的温度和老化参数的温敏系数，对老化参数进行校正。

以下结合具体实施例，以SiC MOSFET(碳化硅金属-氧化物场效应晶体管)功率循环测试中通过监测阈值电压的变化来监测功率器件芯片的退化为例，对本发明的各步骤做进一步的说明。

步骤S1，老化参数采集时序设计方法具体为：

功率循环测试的一个测试周期分为加热阶段和冷却阶段。附图1为一个功率循环测试周期中器件结温的变化，加热阶段中器件导通，加热电流流过，器件结温上升；在冷却阶段，器件关断，结温下降。阈值电压为监测芯片退化的老化参数，当采用小电流注入法进行测量时，需要在功率器件不流过功率电流时进行测量，因此将其安排在功率循环测试周期中的冷却阶段。本实施例中，将阈值电压的测量安排在功率器件冷却阶段的末尾，如附图1所示，具有下述的几个好处：这样做可以避免不同次老化参数采集时对应的器件结温差异过大，另外在结温变化缓慢的阶段可以更加精确地获得老化参数采集时刻对应的温度。

步骤S2中，老化参数退化曲线的刻画方法具有为：在每个功率循环测试周期中对阈值电压进行测量，并将数据存储，最终可以刻画出阈值电压随着功率循环测试周期数变化的退化曲线，如附图2所示。由于功率器件在功率循环测试中会发生退化，因此一个功率循环测试周期中的器件的结温波动会逐渐改变，这会导致对功率器件老化参数测量时对应的温度也发生改变，如附图3所示。因此该中得到的老化参数的退化曲线同时耦合了老化和温度变化的影响。

步骤S3中的老化参数的温敏系数计算方法，具有为：阈值电压作为监测功率器件芯片退化的老化参数，其自身也是温敏的。阈值电压V_th的表达式如下所示：

其中T为温度，Φ_ms为金属和半导体的功函数之差，Q_f是氧化层中固定电荷的密度，C_ox为氧化层电容，q是电荷常数，N_it是陷阱电荷密度，

为费米能级和本征费米能级之差，ε为材料的相对介电常数，N_A为P区的掺杂浓度。其中Φ_ms、N_i和

为温度敏感的，Φ_ms和

其表达式为：

其中k为玻尔茨曼常数，n_i为本征载流子的浓度。

将阈值电压对温度进行求导，可以得到阈值电压温敏系数的表达式：

阈值电压随温度的变化曲线是近乎线性的。在功率循环测试中，一方面由于电荷捕获效应，同一温度下的阈值电压会增大；另一方面，由于器件氧化层电容C_ox等的退化会导致阈值电压温敏系数dV_th/dT_j的改变。因此，在功率循环测试中功率器件的阈值电压的变化可以总结如附图4所示。在整个功率循环测试中，阈值电压的温敏特性都可以近似为线性。因此只需要得到不同功率循环测试周期对应的温敏系数，就可以进行温度解耦校正。

在功率循环测试中，每隔固定的测试周期对不同温度下的阈值电压进行测量，得到当前测试周期数下的阈值电压的温敏系数。结合数据拟合方法，可以得到不同测试周期对应的各个老化特征参数的温敏系数：

T_j为器件的结温，N为当前的测试周期数，f(N)表示阈值电压温敏系数和老化测试周期数的函数关系。不同功率循环测试周期数下的阈值电压温敏系数的拟合曲线如附图5所示，其中黑点为每隔一段测试周期实测的值，虚线为使用数据拟合方法得到的拟合曲线。

步骤S4中，老化参数退化曲线温度解耦校正方法具体为：如附图1所示，在每次进行阈值电压测量的前后都进行一次器件温度的采集，由于两次测量之间的时间间隔很近，且阈值电压的采集安排在温度变化缓慢的冷却阶段末尾，因此采集点对应的器件的结温可以表达为前后两次结温测量的均值：

其中T_{Vth_pre}(N)为老化测试周期数为N时对阈值电压进行测量前测量得到的器件的结温；T_{Vth_aft}(N)为老化测试周期数为N时在阈值电压测量后测量得到的器件的结温；T_Vth(N)为计算得到的老化测试周期数为N时对阈值电压进行测量时刻对应的温度。

由于在老化特征参数采集点温度变化范围内，阈值电压随温度变化为线性的，因此可以用下式对各个老化测试周期测量得到的阈值电压进行温度解耦校正：

其中，T₀为选择的参考温度，V_th(N,T₀)为将温度归一到T₀后的功率循环测试周期数为N时校正后得到的阈值电压，V_th(N,T_Vth(N))为进行校正前老化测试周期数为N时测量得到的阈值电压。校正前后的阈值电压的退化曲线如附图6所示，其中虚线为进行校正前的阈值电压的退化曲线，其各个点对应的测量时的温度各不相同，由于阈值电压本身就是温度敏感的，因此原始的退化曲线不能很好的反映阈值电压真实的退化规律；图中的实线为进行温度校正后，将温度统一推至T₀后得到的真实的阈值电压的退化曲线。另外，通过修改T₀，可以得到不同温度下的老化参数的退化曲线，从而得到在不同温度和不同功率循环测试周期数下的老化参数的退化特性。

同理，研究导通压降在功率循环测试中的退化特性时同样需要进行温度解耦校正。在功率循环的加热阶段中，温度上升速度逐渐变慢，为了更好的确定测量导通压降时对应的结温，将导通压降的测量安排在功率循环测试中加热阶段的末尾。以功率MOSFET为例的导通压降V_on可以表示为：

其中，p为芯片元胞尺寸，L_CH为沟道长度，J为电流密度，μ_ni(T)表示温度为T时的反型层载流子迁移率，V_G表示栅极驱动电压，V_TH(T)表示温度为T时的阈值电压。因此导通压降也是个温敏参数，同样需要对其进行温度解耦校正。

将导通压降对温度进行求导，可以得到导通压降温敏系数的表达式：

在每次进行导通压降测量的前后都进行一次器件温度的采集，由于两次测量之间的时间间隔很近，且导通压降的采集安排在温度变化缓慢的加热阶段末尾，因此采集点对应的器件的结温可以表达为前后两次结温测量的均值：

其中T_{Von_pre}(N)为老化测试周期数为N时对导通压降进行测量前测量得到的器件的结温；T_{Von_aft}(N)为老化测试周期数为N时在导通压降测量后测量得到的器件的结温；T_Von(N)为计算得到的老化测试周期数为N时对导通压降进行测量时刻对应的温度。

由于在老化特征参数采集点温度变化范围内，导通压降随温度变化为线性的，因此可以用下式对各个老化测试周期测量得到的导通压降进行温度解耦校正：

综上所述，整个测试的流程图如附图7所示。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、老化参数采集时序设计：功率器件的老化参数包括导通压降V_on和阈值电压V_th，根据老化参数是在器件导通时或是关断时采集的不同，确定需要采集的老化参数及采集时序；

S2、原始老化参数退化曲线拟合：在功率循环的每个测试周期对各个老化参数进行采集，从而拟合出原始的老化参数退化曲线；

S3、老化参数温敏系数计算：每隔固定的功率循环测试周期，对各个老化参数的温敏特性进行测量；在功率循环测试结束后，利用数据拟合方法得到不同测试周期下的老化参数的温敏系数；

S4、老化参数退化曲线温度解耦校正：利用老化参数采集时刻的温度和老化参数的温敏系数，对功率循环测试得到的老化参数退化曲线进行温度解耦校正，校正公式为：

其中，T₀为温度校正后的参考温度，T_j为被测功率器件的结温，N为功率循环测试周期数，

和

代表功率循环测试周期数为N时阈值电压V_th和导通压降V_on的温敏系数；V_th(N,T₀)和V_on(N,T₀)分别为将温度归一到参考温度T₀后的功率循环测试周期数为N时对应的校正后的阈值电压与导通压降；T_Vth(N)和T_Von(N)分别为功率循环测试周期数为N时对被测功率器件进行阈值电压V_th和导通压降V_on测量时的结温；V_th(N,T_Vth(N))和V_on(N,T_Von(N))分别为功率循环测试周期数为N时测量得到的阈值电压与导通压降。

2.根据权利要求书1所述的用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，其特征在于，功率循环测试的一个测试周期分为加热阶段和冷却阶段，所述的导通压降V_on的采集时序安排在功率循环测试周期中加热阶段的末尾，所述的阈值电压V_th的采集时序安排在功率循环测试周期中冷却阶段的末尾。

3.根据权利要求书1所述的用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，其特征在于，所述的老化参数的温敏系数计算公式为：

其中，f₁(N)和f₂(N)分别表示阈值电压和导通压降的温敏系数与功率循环测试周期数的函数关系。

4.根据权利要求书1所述的用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，其特征在于，在每次进行老化参数采集的前后都进行一次器件温度的采集，将前后两次结温测量的均值作为对被测功率器件进行阈值电压V_th和导通压降V_on测量时的结温，表示为：

其中，T_{Vth_pre}(N)和T_{Von_pre}(N)为功率循环测试周期数为N时分别对阈值电压、导通压降进行测量前测量得到的器件的结温；T_{Vth_aft}(N)和T_{Von_aft}(N)为功率循环测试周期数为N时分别在阈值电压、导通压降测量结束后测量得到的器件的结温。

5.根据权利要求1所述的用于功率循环测试的功率器件老化参数校正方法，其特征在于，通过修改校正后的参考温度T₀，得到不同温度下的老化参数的退化曲线。

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