功率半導(dǎo)體生命周期中的測(cè)試挑戰(zhàn)
發(fā)布時(shí)間:2017-08-25 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體器件的整個(gè)生命周期中需要進(jìn)行各種測(cè)試和表征活動(dòng)。在這個(gè)流程的每一個(gè)階段,工程師面臨著不同的測(cè)量挑戰(zhàn),從新功率器件早期設(shè)計(jì)階段,到診斷故障及最終把器件推向市場(chǎng)。
在許多情況下,工程師發(fā)現(xiàn)他們的教育、培訓(xùn)和職業(yè)道路把自己引向了非常窄的專業(yè)領(lǐng)域。盡管他們可以在一兩個(gè)領(lǐng)域中積累專家級(jí)知識(shí),但他們很少能了解同行們?cè)诋a(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期其他領(lǐng)域面臨的測(cè)試和表征挑戰(zhàn)。他們有時(shí)需要與其他工程師協(xié)作,在他們走出舒適區(qū)時(shí),由于缺乏對(duì)這些挑戰(zhàn)的了解,就會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題。
讓我們從測(cè)試和表征的角度看一下功率半導(dǎo)體生命周期中都涉及了哪些挑戰(zhàn)。
針對(duì)新應(yīng)用評(píng)估現(xiàn)有器件
應(yīng)用工程師與客戶協(xié)作,他們一直要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行壓力測(cè)試,或者要擴(kuò)展設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)最大效率。這些客戶需要器件技術(shù)數(shù)據(jù)之外的細(xì)節(jié)。他們的要求一直在不斷變化,因此要測(cè)量的項(xiàng)目可能每天都會(huì)變化。怎樣才能迅速簡(jiǎn)便地進(jìn)行測(cè)量,而又不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間重新學(xué)習(xí)軟件或儀器呢?
對(duì)這類應(yīng)用,非常重要的一點(diǎn)是要有一整套測(cè)試功能,包括脈沖、DC和C-V。采用器件專用詞匯的軟件(而不是儀器專用詞匯)可以幫助簡(jiǎn)化測(cè)量。這些軟件還可以簡(jiǎn)化多臺(tái)源測(cè)量單元(SMU)儀器之間的交互,用戶可以把重點(diǎn)放在被測(cè)器件上,而不是測(cè)量?jī)x器上。
為使事情變得更簡(jiǎn)便,各廠商開(kāi)始提供適用于SMU儀器的智能手機(jī)和平板電腦應(yīng)用(圖1),來(lái)執(zhí)行I-V表征,包括2端子和3端子器件測(cè)試及趨勢(shì)監(jiān)測(cè)。這些應(yīng)用可以互動(dòng)分析和查看器件特點(diǎn),而不需要編程。其應(yīng)用包括各種材料、2端子和多端子半導(dǎo)體器件、太陽(yáng)能電池和嵌入式系統(tǒng)上的電流相對(duì)于電壓關(guān)系(I-V)測(cè)試。
圖1.IVy 安卓應(yīng)用與Keithley SMUs協(xié)作,執(zhí)行I-V表征。
為不斷變化的需求設(shè)計(jì)器件
為有效設(shè)計(jì)滿足客戶最新要求的器件,功率器件設(shè)計(jì)工程師和工藝工程師必須了解怎樣調(diào)整工藝,得到想要的器件性能。他們必須相信器件模型充分準(zhǔn)確,改變特定工藝步驟必須在器件測(cè)量參數(shù)中產(chǎn)生必要的變化。因此,器件工程師必須對(duì)關(guān)鍵器件參數(shù)執(zhí)行初步檢驗(yàn)。
為幫助在更少的時(shí)間內(nèi)把全面優(yōu)化的器件帶入市場(chǎng),參數(shù)曲線示圖儀現(xiàn)在配備了軟件,可以迅速檢驗(yàn)關(guān)鍵器件參數(shù)及器件特點(diǎn),包括實(shí)時(shí)跟蹤模式(圖2),檢查基礎(chǔ)器件參數(shù),如擊穿電壓;全面參數(shù)模式,提取精確的器件參數(shù)。除操作直觀外,這些工具還包括大型器件程序庫(kù)和內(nèi)置公式工具,可以迅速把測(cè)量與器件參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。
圖2.跟蹤模式可以全面表征器件。
表征性能
表征工程師提供了必要的專業(yè)測(cè)量知識(shí),并了解測(cè)量異常會(huì)給器件性能非目標(biāo)領(lǐng)域帶來(lái)什么樣的影響。必須快速獲得結(jié)果,以便器件工程師或工藝工程師能夠反復(fù)操作,把測(cè)量數(shù)據(jù)迅速轉(zhuǎn)換成器件參數(shù)。
測(cè)量高功率半導(dǎo)體器件的DC和電容參數(shù)要求足夠的專業(yè)知識(shí),優(yōu)化各種測(cè)量的精度。即使對(duì)擁有這種專業(yè)知識(shí)的工程師,管理開(kāi)點(diǎn)狀態(tài)、關(guān)點(diǎn)狀態(tài)和電容-電壓(C-V)測(cè)量之間的設(shè)置變化仍可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間,而且容易出錯(cuò)。
這些挑戰(zhàn)在晶圓環(huán)境中尤其棘手。功率晶體管、FET或二極管的特性曲線包括其典型輸出特點(diǎn)圖。某些功率器件的輸出特點(diǎn)可能會(huì)有幾十到幾百安培。因此,創(chuàng)建這些曲線要求高流儀器,如SMU (源測(cè)量單元)。在并行配置多個(gè)SMU時(shí),它們會(huì)產(chǎn)生高達(dá)100A的脈沖電流,在管理線纜電阻和電感、以保證精確結(jié)果方面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的挑戰(zhàn)。
在對(duì)功率半導(dǎo)體器件執(zhí)行全面的DC I-V和C-V測(cè)試時(shí),為減少遇到的問(wèn)題,許多工程師采用高功率接口面板(圖3),最大限度地減少主要測(cè)量類型之間的連接變化。可以通過(guò)T型偏置進(jìn)行I-V和C-V測(cè)量,而不需改變連接,從而減少用戶出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。
圖3.高功率接口面板解決了晶圓器件測(cè)試的連接挑戰(zhàn)。
[圖示內(nèi)容:]
Model 8020 High Power Interface Panel: Model 8020高功率接口面板
Manages: 管理
Series resistors: 串聯(lián)電阻器
High voltage bias tees: 高壓T型偏置
Overvoltage protecTIon: 過(guò)壓保護(hù)
Cabling differences between measurements: 測(cè)量之間的線纜差異
Connector interface to probe staTIons and fixtures: 連接器到探頭站和夾具的接口
器件準(zhǔn)備投產(chǎn)
為讓器件正確準(zhǔn)備投產(chǎn),生產(chǎn)測(cè)試工程師必須證明能否可靠地生產(chǎn)器件。必須收集測(cè)量數(shù)據(jù),獲得器件技術(shù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果;必須優(yōu)化測(cè)試時(shí)間,滿足要求的生產(chǎn)吞吐量。對(duì)這些應(yīng)用,多功能儀器為迅速獲得測(cè)量數(shù)據(jù)提供了最佳途徑,并使連接變化和開(kāi)關(guān)達(dá)到最小。
SMUs是經(jīng)驗(yàn)證可以用于半導(dǎo)體應(yīng)用的多功能儀器。增加測(cè)試腳本的SMU儀器可以改善吞吐量,因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)了緊密同步,內(nèi)置復(fù)雜運(yùn)算處理器,在儀器內(nèi)部執(zhí)行決策,從而最大限度地縮短了通信時(shí)間。SMUs儀器可以用于參數(shù)曲線示圖儀配置中,實(shí)現(xiàn)交互測(cè)試及自動(dòng)生產(chǎn)測(cè)試。其提供了自動(dòng)軟件(圖4),同時(shí)融合了先進(jìn)的半導(dǎo)體測(cè)試功能以及控制、數(shù)據(jù)報(bào)告和統(tǒng)計(jì)功能。
圖4.測(cè)試軟件把器件和測(cè)試與站點(diǎn)和子站對(duì)應(yīng)起來(lái),而不需要為每個(gè)子站重復(fù)每項(xiàng)測(cè)試,縮短了測(cè)試開(kāi)發(fā)時(shí)間。
滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)
為確定器件滿足商用可靠性標(biāo)準(zhǔn),可靠性測(cè)試工程師擔(dān)負(fù)著多項(xiàng)職責(zé):
· 確定器件能否承受環(huán)境壓力,持續(xù)滿足規(guī)范
· 回答客戶與器件生命周期有關(guān)的問(wèn)題(MTBF, MTTF)
· 提供關(guān)鍵信息,確定器件是否適合特定的高可靠性應(yīng)用,包括軍事/國(guó)防、航空和汽車
創(chuàng)建統(tǒng)計(jì)相關(guān)結(jié)果要求足夠的測(cè)試器件樣本數(shù)量。對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行壓力測(cè)量,要求多通道并行測(cè)試及自動(dòng)評(píng)估數(shù)據(jù)。
綜合測(cè)試系統(tǒng)一般用于這類應(yīng)用,可進(jìn)行定制,適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境。這些系統(tǒng)使用軟件控制,循環(huán)執(zhí)行壓力測(cè)量,制訂綜合決策。市場(chǎng)上有各種電源和SMU儀器解決方案,可以為任意數(shù)量的器件同時(shí)供電和進(jìn)行測(cè)試。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)器件
一旦驗(yàn)證了器件,就可以準(zhǔn)備投入商用。用戶必須檢驗(yàn)器件位于應(yīng)用的容限范圍內(nèi),保證最終產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的功率效率。在器件成熟,從多家供應(yīng)商供貨時(shí),功率器件消費(fèi)者要迅速檢測(cè)拿到的器件,識(shí)別和消除假冒產(chǎn)品,避免最終產(chǎn)品中潛在的問(wèn)題。
這時(shí)使用的測(cè)試儀器有:為基本電路板供電的可編程電源,功率分析儀,配備功率分析模塊及高壓探頭、電流探頭和差分探頭的示波器。功率分析儀用來(lái)評(píng)估整個(gè)最終產(chǎn)品性能。示波器可以分析開(kāi)關(guān)損耗、諧波和安全操作區(qū)。
診斷器件故障
故障分析工程師必須確定故障是由最終產(chǎn)品使用引起的,還是由以前漏掉的設(shè)計(jì)問(wèn)題引起的。一旦做出這種決定,那么在設(shè)計(jì)和工藝工程中必須知道故障原因,從而可以實(shí)施工藝變化或設(shè)計(jì)變化,防止將來(lái)再次出現(xiàn)故障。
能夠迅速測(cè)量器件技術(shù)數(shù)據(jù)非常重要,包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。要模仿最終應(yīng)用,以復(fù)現(xiàn)故障。擁有跟蹤模式的參數(shù)曲線示圖儀可以執(zhí)行這類分析工作。內(nèi)置壓力測(cè)試測(cè)量的軟件工具可以復(fù)現(xiàn)導(dǎo)致器件性能劣化的情況。
小結(jié)
從始至終,測(cè)試和測(cè)量在把新功率半導(dǎo)體器件帶到市場(chǎng),并使其適應(yīng)客戶應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題來(lái)源中發(fā)揮著重要作用。了解整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及各階段的測(cè)試挑戰(zhàn)有助于保證整個(gè)設(shè)計(jì)流程平滑運(yùn)行。
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