CN117110823A - 一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统和方法，包括：所述栅极漏电流测量模块，用于测试被测器件的栅极漏电流；所述恒流源模块，用于为被测器件提供导通大电流；所述栅压模块，用于控制被测器件的通断；所述冷却模块，用于冷却被测器件；所述小电流模块，用于实现器件结温的电学参数间接测量；所述控制模块，用于控制开关，并控制所述恒流源模块的循环通断，在所述恒流源模块关断期间通过所述冷却模块对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定；所述采集模块，用于采集被测器件栅极漏电流、通态压降和结温数据；本发明实现功率循环传统老化参数监测的同时，在线监测栅极漏电流，为SiC器件寿命的准确表征提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件测试方法和系统，特别是涉及一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统和方法。
背景技术
功率半导体是新能源汽车除动力电池外最为核心的部件，其长期运行可靠性更直接关乎整车的运行安全，为提高新能源汽车的性能、续航能力等，以SiC器件为代表的宽禁带功率器件以更高开关频率和工作结温等优势得到快速发展，成为新能源汽车用功率器件的必然趋势。
传统Si器件封装老化参数的标准已经成熟，主要是通过功率循环测试等项目监控其老化参数。功率循环测试是考核功率器件热应力加速老化测试条件下可靠性的有效方法，该测试通过外部负载电流的通断来模拟器件实际应用过程中的结温波动过程，并通过一定程度的加速老化以提前暴露器件封装的薄弱点。传统Si器件的封装老化参数主要有电学参数-通态压降VCE来表征键合线抬起或断裂、热学参数-热阻Rthjc来表征焊料的老化和结温参数-最高结温Tjmax表征由键合线或焊接老化导致的结温变化。而与Si器件相比，SiC器件采用了纳米银烧结和铜带键合技术等新的封装结构和材料体系以充分发挥其性能，其老化机理发生了变化：铜带和塑封料与SiC芯片的CTE不匹配会导致SiC芯片表面承受较大的应力，另外SiC芯片栅氧层工艺远没有Si芯片成熟，在功率循环过程中循环热应力会导致SiC芯片金属层和栅氧层发生变形，致使局部氧化层变薄，最后金属层以及栅氧层处出现裂纹，从而引发栅极失效。仅凭通态压降VCE、结壳热阻Rthjc和结温Tj对其老化过程和表征的灵敏度降低，故传统Si器件的封装老化参数已不能准确表征采用新的封装结构和材料体系的SiC器件所呈现的老化状态。
传统VCE监测方法已经无法表征SiC器件的栅极老化，其他研究表明栅极漏电流能有效表征栅极老化状态，栅极漏电流的增长速率能反映栅极老化的快慢。但对于功率循环在线监测栅极漏电流却少有研究，原因在于测量栅极漏电流时要将CE(DS)短路，这需要在导通大电流前测量栅极漏电流，并迅速切换电路测量最小结温，对测试技术和方法提出了挑战。但由于SiC器件的栅极漏电流可直观的反映栅氧层的健康状态，故成为一种极具应用潜力的电学老化表征参数。
因此，有必要设计一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统和方法，以解决上述技术问题。
发明内容
为解决背景技术提出的目前针对传统Si器件而设计的老化参数标准已无法表征SiC器件的老化状态的问题，本发明提供一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统和方法，实现功率循环传统老化参数监测的同时，在线监测栅极漏电流，为SiC器件寿命的准确表征提供支撑。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统，包括恒流源模块、小电流模块、栅极漏电流测试模块、栅压模块、控制模块、冷却模块、采集模块、开关和漏源短路线；
作为优选，恒流源模块用于根据所述控制模块的控制给被测器件施加一定占空比的导通电流；
作为优选，小电流模块用于在所述恒流源模块工作器件，为所述被测器件施加测量小电流，实现器件结温的电学参数间接测量；
作为优选，栅极漏电流测试模块用于通过所述控制模块的控制测量正向或反向栅源漏电流；
作为优选，栅压模块用于由所述控制模块来控制所述被测器件的导通和关断；
作为优选，控制模块通过控制所述开关S1使得所述栅压模块或所述栅极漏电流测试模块工作，通过控制所述开关S2使得所述恒流源模块和所述小电流模块同时工作或不工作，通过控制所述开关S3调整正向驱动电压VGG+和反向驱动电压VGG-驱动，控制所述恒流源模块的循环通断，控制所述冷却模块对所述被测器件进行冷却；
作为优选，冷却模块用于冷却所述被测器件，使得所述被测器件的热量及时散走和降低结温；
作为优选，采集模块用于采集所述被测器件的电气参数、温度参数。
作为优选，开关用于所述控制模块控制所述栅极漏电流模块、所述栅压模块、所述恒流源模块、所述小电流模块和所述漏源短路线工作状态；
作为优选，漏源短路线用于由所述控制模块控制在线监测栅极漏电流时，将所述被测器件漏源级短路。
作为优选，所述被测器件包括以下任一或者多个特征：
基于SiC的半导体芯片，基于模块、压接、分立式封装技术的功率半导体器件。
作为优选，所述栅极漏电流测试模块包括：正反向驱动电压、开关S3。
作为优选，所述采集模块包括：温度传感器、电压传感器、电流传感器。
作为优选，所述冷却模块包括：水冷板、温度控制器。
本发明还提供一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统的监测方法，当收到功率循环测试开始指令后，所述控制模块通过开关S1、开关S2控制所述栅压模块、所述恒流源模块、所述冷却模块和所述小电流模块工作，并通过控制所述开关S3调整正向驱动电压VGG+和反向驱动电压VGG-驱动，控制所述恒流源模块的循环通断，控制所述冷却模块对所述被测器件进行冷却，此时所述采集模块中的电压传感器和温度传感器实时监测被测器件的通态压降、结温差和热阻；当实时监测被测器件的栅极漏电流时，所述控制模块通过控制所述开关S1、开关S2使得电路切换至所述漏源短路线导通、所述栅极漏电流测试模块工作状态，此时所述采集模块中的电流传感器实时监测所述被测器件的栅极漏电流。
本发明的有益效果为：
1、本发明可以通过施加一定的加速应力使得被测器件的设计缺陷提前暴露。获得加速应力下待测器件的寿命，为器件的高可靠性设计提供指导。
2、本发明可以实现在功率循环测试中实时监测被测器件的饱和压降、结温和热阻的电学、热学老化参数，表征器件的老化状态和寿命。
3、本发明突破传统变量饱和压降VCE表征的局限性，采用栅极漏电流来表征SiC器件功率循环老化和寿命评估的电学特性的方法，实现了功率循环测试条件下栅极漏电流在线量测方法，实现SiC器件栅极老化失效导致的电学特性表征。
4、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1是本发明的一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统的框架图；
图2是本发明控制模块的控制流程图；
图3是本发明功率循环测试基本电路原理图；
图4是本发明功率循环测试单次循环变量变化图；
图5是本发明栅极漏电流测试原理图；
图6是本发明功率循环测试栅压模块和小电流模块电路图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体的细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
如图1所示，本发明的一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统包括恒流源模块2、小电流模块、栅极漏电流测试模块4、栅压模块5、控制模块、冷却模块、采集模块、开关和漏源短路线12。开关包括开关S110、开关S28。恒流源模块、小电流模块和漏源短路线均并联在被测器件11的漏极和源极之间，靠开关S28切换工作并联线路，栅压模块和栅极漏电流测试模块均并联在被测器件11的栅极和源极之间，靠开关S1切换工作并联线路。
所述恒流源模块2，用于为被测器件11提供导通大电流；所述小电流模块，用于实现器件结温的电学参数间接测量；所述栅极漏电流测试模块4，用于测试被测器件11的栅极漏电流；所述栅压模块5，用于控制被测器件11的通断；所述控制模块，用于控制开关，并控制所述恒流源模块2的循环通断，在所述恒流源模块2关断期间通过所述冷却模块对被测器件11进行冷却，以使被测器件11的结温波动符合规定；所述冷却模块，用于冷却被测器件11；所述采集模块，用于采集被测器件栅极漏电流、通态压降和结温数据。
功率循环的基本电路原理图如图3所示，其中G、D、S分别为被测器件的栅极、漏极、源极，温度变化曲线示意如图4所示。负载电流通过所述控制模块的控制给所述被测器件施加一定占空比的电流ILoad以加热被测器件达到指定最大结温Tvjmax；为了让所述被测器件的热量及时散走达到降低结温的目的，使用所述冷却模块中可恒定温度的水冷板将所述被测器件迅速冷却。在切断负载电流后所述被测器件的结温降低到最小结温Tvjmin，以此周期往复达到考核器件封装可靠性的目的。因此，在一个循环周期内(ton+toff)，被测器件加热时间或者电流开通时间为ton，电流关断时间或降温时间为toff。当所述被测模块处于功率循环加速老化测试中，所述控制模块通过控制开关S1使得所述栅压模块工作、所述栅极漏电流测试模块不工作，通过控制开关S2使得所述恒流源模块和所述小电流模块工作、所述漏源短路线断开，以此可实现所述被测器件的加速功率循环老化过程。
车规级功率器件标准AQG324中明确规定了功率循环过程中要实时监测被测器件的通态压降VDS、结温差ΔTvj(即被测器件的最大结温Tvjmax-被测器件的最小结温Tvjmin)和热阻Rthj-x，其中x代表参考点的温度，通常取壳温Tc，热阻计算公式如式(1)，通态压降可以通过所述采集模块的电压传感器获得，器件的结温Tvj一般采用小电流饱和压降法间接获得，壳温Tc通过所述温度传感器获得，Tcmin和Tcmax分别为壳温最小值、最大值，功率P计算公式如式(2)。使用所述小电流模块的测量电流Isense加在所述被测器件的两端，所述采集模块中的温度传感器量测壳温Tc、电压传感器量测通态压降VDS，可以利用小电流饱和压降法，由反向体二极管的结电压实现对所述被测器件结温的电学参数间接测量，该小电流一般选为器件额定电流的以此可实现功率器件功率循环测试三个老化关键参数的在线测量。
P＝VDS*ILoad (2)
如图6所示，在功率循环测试过程中使所述被测器件升温时，通过所述控制模块将所述被测器件的栅源电压Vgs设置为沟道导通电压值Vgson，此时所述被测器件的沟道导通，负载电流源为所述被测器加热，所述被测器件在导通时间ton内升温；使所述被测器件降温时，通过所述控制模块将所述被测器件的栅源电压Vgs设置为小于或等于沟道勾到关断电压值Vgsoff，此时所述被测器件的沟道关闭，反向体二极管导通，所述小电流源模块向被测器件提供测量电流Isense，被测器件在关断时间toff内降温。通过小电流饱和压降法对所述被测器件的结温进行检测，即利用反向体二极管的结电压来计算结温。从而实现对所述被测器件在功率循环测试过程中在导通瞬间和关断瞬间的结温变化进行监测。
图2是所述控制模块的工作流程图，当收到功率循环测试开始指令后，所述控制模块通过开关S110、开关S28控制所述栅压模块、所述恒流源模块、所述冷却模块和所述小电流模块工作，并通过控制所述开关S39调整所述正向驱动电压VGG+14和反向驱动电压VGG-15驱动，控制所述恒流源模块的循环通断，控制所述冷却模块对所述被测器件进行冷却，此时所述采集模块中的电压传感器和温度传感器可以实时监测被测器件的通态压降、结温差和热阻；若需要实时监测被测器件的栅极漏电流，所述控制模块可以通过控制所述开关S18、开关S210使得电路切换至所述漏源短路线导通、所述栅极漏电流测试模块工作状态，此时所述采集模块中的电流传感器可以实时监测所述被测器件的栅极漏电流。
在所述被测功率器件进行上述功率循环测试期间，根据用户需要可进行栅极漏电的在线监测，栅极漏电流的测量电路如图5所示。当需要监测实时栅极漏电流时，所述控制模块通过控制开关S18使得所述栅极漏电流模块工作、所述栅压模块不工作，通过控制开关S210使得所述漏源短路线流通、所述恒流源模块和所述小电流模块不工作，实现将DS端子短接，所述控制模块控制开关S39切换接入正向驱动电压VGG+和反向驱动电压VGG-，并控制正向驱动电压VGG+和反向驱动电压VGG-逐步增加，所述采集模块中电流传感器可采集电流信号实现对应驱动电压下的栅极漏电流的量测。
在其中一个实施例中，所述负载电流ILoad为安培级(A)的电流，所述小电流Isense为毫安级(mA)的电流。
在其中一个实施例中，所述电流传感器采集精度为纳安级(nA)。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统，其特征在于，包括恒流源模块、小电流模块、栅极漏电流测试模块、栅压模块、控制模块、冷却模块、采集模块、开关和漏源短路线；
所述恒流源模块，用于根据所述控制模块的控制给所述被测器件施加一定占空比的导通电流；
所述小电流模块，用于在所述恒流源模块工作器件，为所述被测器件施加测量小电流，实现器件结温的电学参数间接测量；
所述栅极漏电流测试模块，用于通过所述控制模块的控制测量正向或反向栅源漏电流；
所述栅压模块，用于由所述控制模块来控制所述被测器件的导通和关断；
所述控制模块，通过控制所述开关S1使得所述栅压模块或所述栅极漏电流测试模块工作，通过控制所述开关S2使得所述恒流源模块和所述小电流模块同时工作或不工作，通过控制所述开关S3调整正向驱动电压VGG+和反向驱动电压VGG-驱动，控制所述恒流源模块的循环通断，控制所述冷却模块对所述被测器件进行冷却；
所述冷却模块，用于冷却所述被测器件，使得所述被测器件的热量及时散走和降低结温；
所述采集模块，用于采集所述被测器件的电气参数、温度参数；
所述开关，用于所述控制模块控制所述栅极漏电流模块、所述栅压模块、所述恒流源模块、所述小电流模块和所述漏源短路线工作状态；
所述漏源短路线，用于由所述控制模块控制在线监测栅极漏电流时，将所述被测器件漏源级短路。
2.根据权利要求1所述的一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统，其特征在于，所述被测器件包括以下任一或者多个特征：
基于SiC的半导体芯片，
基于模块、压接、分立式封装技术的功率半导体器件。
3.根据权利要求1所述的一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统，其特征在于，所述栅极漏电流测试模块包括正反向驱动电压、开关S3。
4.根据权利要求1所述的一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统，其特征在于，所述采集模块包括温度传感器、电压传感器、电流传感器。
5.根据权利要求1所述的一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统，其特征在于，所述冷却模块包括水冷板、温度控制器。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种SiC器件功率循环老化参数在线监测系统的监测方法，其特征在于，当收到功率循环测试开始指令后，所述控制模块通过开关S1、开关S2控制所述栅压模块、所述恒流源模块、所述冷却模块和所述小电流模块工作，并通过控制所述开关S3调整正向驱动电压VGG+和反向驱动电压VGG-驱动，控制所述恒流源模块的循环通断，控制所述冷却模块对所述被测器件进行冷却，此时所述采集模块中的电压传感器和温度传感器实时监测被测器件的通态压降、结温差和热阻；当实时监测被测器件的栅极漏电流时，所述控制模块通过控制所述开关S1、开关S2使得电路切换至所述漏源短路线导通、所述栅极漏电流测试模块工作状态，此时所述采集模块中的电流传感器实时监测所述被测器件的栅极漏电流。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，在实时监测被测器件的栅极漏电流时，所述控制模块通过控制开关S1使得所述栅极漏电流模块工作、所述栅压模块不工作，通过控制开关S2使得所述漏源短路线流通、所述恒流源模块和所述小电流模块不工作，实现将DS端子短接，所述控制模块控制开关S3切换接入正向驱动电压VGG+和反向驱动电压VGG-，并控制正向驱动电压VGG+和反向驱动电压VGG-逐步增加，所述采集模块中电流传感器采集电流信号，实现对应驱动电压下的栅极漏电流的量测。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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