功率半導體性能表征的關鍵技術研究與應用分析

引言

全球能源結構的變革深刻影響著電力電子產業(yè)的發(fā)展，以IGBT為代表的功率半導體器件是電力電子設備能源轉換與傳輸?shù)年P鍵，在新能源汽車、光伏儲能、軌道交通等多個關鍵產業(yè)廣泛應用。隨著電力電子設備在多重非平穩(wěn)工況下的大量投用，可靠性問題日益突出，功率半導體器件的性能表征成為行業(yè)的研究熱點。

一、功率半導體應用現(xiàn)狀

隨著新能源汽車800V高壓快充技術的興起，SiC憑借其高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率以及高鍵合能等一系列顯著優(yōu)勢，成為功率半導體產業(yè)競相追逐的“風口”。在實際應用中，搭載碳化硅功率器件的高壓系統(tǒng)通常能夠在短短十多分鐘內將電池電量從10%快速充至80%。然而，SiC功率器件在運行時會承受復雜的電-磁-熱-機械應力，其電壓電流能力的提升，開關速度和功率密度的提升，對器件的性能和可靠性提出了更高的要求。

功率半導體器件在使用過程中可能會因為多重因素導致失效，而這些不同因素所引發(fā)的失效形式也各不相同。因此，對失效機理進行深入分析以及準確辨識缺陷，是提高器件性能的重要前提。

二、功率半導體性能表征測試挑戰(zhàn)

功率半導體的性能表征，最早主要以測試二極管和三極管等分立器件的DC參數(shù)為主。MOSFET和SiC、GaN出現(xiàn)后，測試技術研究的重點放在GaN HEMT、SiC MOS、IGBT單管、PIM（即IGBT模組）等類型的產品上。根據(jù)測試條件不同，功率器件被測參數(shù)可分為兩大類：靜態(tài)特性測試和動態(tài)特性測試。靜態(tài)特性測試主要是表征器件本征特性指標，如擊穿電壓V(BR)DSS、漏電流ICES/IDSS/IGES/IGSS、閾值電壓VGS(th)、跨導Gfs、二極管壓降VF、導通內阻RDS(on)等；動態(tài)參數(shù)是指器件開關過程中的相關參數(shù)，這些參數(shù)會隨著開關條件如母線電壓、工作電流和驅動電阻等因素的改變而變化，如開關特性參數(shù)、體二極管反向恢復特性參數(shù)及柵極電荷特性參數(shù)等，主要采用雙脈沖測試進行。

靜態(tài)參數(shù)是動態(tài)指標的前提，目前功率半導體器件的靜態(tài)特性主要是依據(jù)半導體器件公司提供的Datasheet來進行測試。然而，功率半導體器件常被應用于高速開通及關斷工作狀態(tài)下，器件絕大部分失效機理都發(fā)生在動態(tài)變化過程中，因此動、靜態(tài)參數(shù)的測試對功率半導體器件都很重要。此外，以SiC為代表的第三代半導體器件耐壓等級更高，且經過串/并聯(lián)應用于更高電壓/功率等級的裝備，對制造過程各階段的測試要求也提出了新的挑戰(zhàn)：

1、靜態(tài)測試高電流電壓等級與閾值電壓漂移

隨著功率半導體器件（如MOSFET、IGBT、SiC MOS）規(guī)格的不斷提升，靜態(tài)測試中的電流電壓等級要求也越來越高，要求測試系統(tǒng)必須能夠穩(wěn)定、準確地提供和測量高電壓和大電流。同時還需要在測試過程中減少施加應力的時間，以防止器件過熱損壞。此外，SiC閾值電壓漂移是功率器件測試過程中常見的問題，閾值電壓漂移會對功率器件的開關特性產生影響，可能會引起器件的誤導通，從而導致器件的損壞。

圖：JEDEC JEP183、CASAS中Sic VGS(th)的測試標準

2、動態(tài)測試寄生電感與寄生電容的影響及測試設備要求

在功率半導體器件的動態(tài)測試過程中，寄生電感和寄生電容對測試結果影響巨大。寄生電感主要來源于PCB連接線以及器件封裝，而功率器件的電流變化率大，使寄生電感對測試結果也會產生影響。同時，雙脈沖測試電路中除了器件的結電容外，續(xù)流二極管和負載電感上均存在寄生電容，這兩個寄生電容對器件的開通過程有明顯影響。此外，功率器件的開關速度高，要求測試設備具有較高的帶寬以準確采集開關波形的上升沿和下降沿。

3、全測試流程節(jié)點增加

對于PIM和IPM等功率模塊，實際是由單管組合的，單管的良率和質量將直接影響模塊的成本和質量，為降低模塊的封裝和制造成本，業(yè)內已經考慮增加測試節(jié)點和測試左移，從CP+FT測試，變?yōu)镃P + KGD + DBC + FT測試。

圖：功率半導體器件測試流程節(jié)點

三、普賽斯功率半導體一站式測試解決方案

為應對行業(yè)對功率半導體器件的測試需求，普賽斯儀表以核心源表為基礎，正向設計、精益打造了一站式高精密電壓-電流的功率半導體電性能測試解決方案，廣泛適用于從實驗室到小批量、大批量產線的全方位應用。設備具有高精度與大范圍測試能力（10kV/6000A）、多元化測試功能(直流IV/脈沖IV/CV/跨導）、高低溫測試能力（-55℃~250℃），滿足功率半導體行業(yè)對測試能力、精度、速度及穩(wěn)定性的高要求。

圖：PMST功率器件靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)

圖：PSS TEST靜態(tài)高低溫半自動測試系統(tǒng)

圖：PMST-MP靜態(tài)參數(shù)半自動化測試系統(tǒng)

圖：PMST-AP靜態(tài)參數(shù)全自動化測試系統(tǒng)

精準始于源頭。普賽斯儀表作為率先自主研發(fā)、國內首家將高精密源/測量單元SMU產業(yè)化的企業(yè)，經過長期深入的研發(fā)應用，已經完全掌握了源測量單元的邏輯與算法，確保測試結果的準確性與可靠性。PMST功率器件靜態(tài)測試系統(tǒng)系列產品采用模塊化的設計結構，集成自主研發(fā)的高壓測試單元、大電流測試單元、小功率測試單元，為用戶后續(xù)靈活添加或升級測量模塊以適應不斷變化的測量需求，提供了極大便捷和最優(yōu)性價比，具有高度易用性和可擴展性，任何工程師都能快速掌握并使用。

01大電流輸出響應快，無過沖

自主研發(fā)的高效能脈沖式大電流源，其輸出建立過程響應迅速，且無過沖現(xiàn)象。在測試環(huán)節(jié)，大電流的典型上升時間僅為15μs，脈沖寬度可在50~500μs之間靈活調整。采用此種脈沖大電流測試方法，能夠顯著降低因器件自身發(fā)熱所引發(fā)的誤差，確保測試結果的精確性與可靠性。

02高壓測試支持恒壓限流，恒流限壓模式

自主研發(fā)的高性能高壓源，其輸出建立與斷開反應迅速，且無過沖現(xiàn)象。在進行擊穿電壓測試時，可靈活設定電流限制或電壓限值，以確保設備不因過壓或過流而受損，有效保護器件的安全性和穩(wěn)定性。

此外，應用端的多樣化導致功率半導體廠商需要根據(jù)實際需求進行定制化封裝，封裝形式的多樣性亦給測試工作帶來不小的挑戰(zhàn)，普賽斯儀表可提供多樣化、精細化、定制化的夾具解決方案，旨在全面滿足從基礎功率二極管、MOSFET、BJT、IGBT到寬禁帶半導體SiC、GaN等晶圓、芯片、器件及模塊的電性能表征和測試需求。同時，普賽斯儀表與上下游企業(yè)進行緊密合作，共同推動功率器件測試產品線的完善，幫助半導體企業(yè)提高測試效率以及產線UPH。

結語

目前，普賽斯儀表功率器件靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)已經銷往全國并出口海外，被國內外多家半導體頭部企業(yè)認可。我們堅信，通過持續(xù)的技術研發(fā)與國際合作，秉持創(chuàng)新引領、質量為先的理念，不斷突破技術壁壘，優(yōu)化產品性能，未來普賽斯儀表將為全球客戶提供更加精準、高效、可靠的功率半導體測試解決方案。