引言

        全球能源結(jié)構(gòu)的變革深刻影響著電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以IGBT為代表的功率半導(dǎo)體器件是電力電子設(shè)備能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)年P(guān)鍵，在新能源汽車(chē)、光伏儲(chǔ)能、軌道交通等多個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用。隨著電力電子設(shè)備在多重非平穩(wěn)工況下的大量投用，可靠性問(wèn)題日益突出，功率半導(dǎo)體器件的性能表征成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)。 

一、功率半導(dǎo)體應(yīng)用現(xiàn)狀

        隨著新能源汽車(chē)800V高壓快充技術(shù)的興起，SiC憑借其高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率以及高鍵合能等一系列顯著優(yōu)勢(shì)，成為功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)相追逐的“風(fēng)口”。在實(shí)際應(yīng)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(nèi)將電池電量從10%快速充至80%。然而，SiC功率器件在運(yùn)行時(shí)會(huì)承受復(fù)雜的電-磁-熱-機(jī)械應(yīng)力，其電壓電流能力的提升，開(kāi)關(guān)速度和功率密度的提升，對(duì)器件的性能和可靠性提出了更高的要求。

        功率半導(dǎo)體器件在使用過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)槎嘀匾蛩貙?dǎo)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(duì)失效機(jī)理進(jìn)行深入分析以及準(zhǔn)確辨識(shí)缺陷，是提高器件性能的重要前提。

二、功率半導(dǎo)體性能表征測(cè)試挑戰(zhàn)

        功率半導(dǎo)體的性能表征，最早主要以測(cè)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(cè)試技術(shù)研究的重點(diǎn)放在 GaN HEMT、SiC MOS、IGBT單管、PIM（即IGBT模組）等類(lèi)型的產(chǎn)品上。根據(jù)測(cè)試條件不同，功率器件被測(cè)參數(shù)可分為兩大類(lèi)：靜態(tài)參數(shù)測(cè)試和動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試。靜態(tài)參數(shù)測(cè)試主要是表征器件本征特性指標(biāo)，如擊穿電壓V(BR)DSS、漏電流ICES/IDSS/IGES/IGSS、閾值電壓VGS(th)、跨導(dǎo)Gfs、二極管壓降VF、導(dǎo)通內(nèi)阻RDS(on)等；動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試是指器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)會(huì)隨著開(kāi)關(guān)條件如母線電壓、工作電流和驅(qū)動(dòng)電阻等因素的改變而變化，如開(kāi)關(guān)特性參數(shù)、體二極管反向恢復(fù)特性參數(shù)及柵極電荷特性參數(shù)等，主要采用雙脈沖測(cè)試進(jìn)行。

        靜態(tài)參數(shù)是動(dòng)態(tài)參數(shù)的前提，目前功率半導(dǎo)體器件的靜態(tài)參數(shù)主要是依據(jù)半導(dǎo)體器件公司提供的Datasheet來(lái)進(jìn)行測(cè)試。然而，功率半導(dǎo)體器件常被應(yīng)用于高速開(kāi)通及關(guān)斷工作狀態(tài)下，器件絕大部分失效機(jī)理都發(fā)生在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，因此動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)的測(cè)試對(duì)功率半導(dǎo)體器件都很重要。此外，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體器件耐壓等級(jí)更高，且經(jīng)過(guò)串/并聯(lián)應(yīng)用于更高電壓/功率等級(jí)的裝備，對(duì)制造過(guò)程各階段的測(cè)試要求也提出了新的挑戰(zhàn)：

1、靜態(tài)參數(shù)測(cè)試高電流電壓等級(jí)與閾值電壓漂移

        隨著功率半導(dǎo)體器件（如MOSFET、IGBT、SiC MOS）規(guī)格的不斷提升，靜態(tài)參數(shù)測(cè)試中的電流電壓等級(jí)要求也越來(lái)越高，要求測(cè)試系統(tǒng)必須能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地提供和測(cè)量高電壓和大電流。同時(shí)還需要在測(cè)試過(guò)程中減少施加應(yīng)力的時(shí)間，以防止器件過(guò)熱損壞。此外，SiC閾值電壓漂移是功率器件測(cè)試過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，閾值電壓漂移會(huì)對(duì)功率器件的開(kāi)關(guān)特性產(chǎn)生影響，可能會(huì)引起器件的誤導(dǎo)通，從而導(dǎo)致器件的損壞。

圖：JEDEC JEP183、CASAS中Sic VGS(th)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

2、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試寄生電感與寄生電容的影響及測(cè)試設(shè)備要求

        在功率半導(dǎo)體器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試過(guò)程中，寄生電感和寄生電容對(duì)測(cè)試結(jié)果影響巨大。寄生電感主要來(lái)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(duì)測(cè)試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，雙脈沖測(cè)試電路中除了器件的結(jié)電容外，續(xù)流二極管和負(fù)載電感上均存在寄生電容，這兩個(gè)寄生電容對(duì)器件的開(kāi)通過(guò)程有明顯影響。此外，功率器件的開(kāi)關(guān)速度高，要求測(cè)試設(shè)備具有較高的帶寬以準(zhǔn)確采集開(kāi)關(guān)波形的上升沿和下降沿。

3、全測(cè)試流程節(jié)點(diǎn)增加

        對(duì)于PIM和IPM等功率模塊，實(shí)際是由單管組合的，單管的良率和質(zhì)量將直接影響模塊的成本和質(zhì)量，為降低模塊的封裝和制造成本，業(yè)內(nèi)已經(jīng)考慮增加測(cè)試節(jié)點(diǎn)和測(cè)試左移，從 CP+FT 測(cè)試，變?yōu)?CP + KGD + DBC + FT測(cè)試。

圖：功率半導(dǎo)體器件測(cè)試流程節(jié)點(diǎn)

三、普賽斯功率半導(dǎo)體一站式測(cè)試解決方案

        為應(yīng)對(duì)行業(yè)對(duì)功率半導(dǎo)體器件的測(cè)試需求，普賽斯儀表以核心源表為基礎(chǔ)，正向設(shè)計(jì)、精益打造了一站式高精密電壓-電流的功率半導(dǎo)體電性能測(cè)試解決方案，廣泛適用于從實(shí)驗(yàn)室到小批量、大批量產(chǎn)線的全方位應(yīng)用。設(shè)備具有高精度與大范圍測(cè)試能力（10kV/6000A）、多元化測(cè)試功能(直流IV/脈沖IV/CV/跨導(dǎo)）、高低溫測(cè)試能力（-55℃~250℃），滿(mǎn)足功率半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)

圖：PSS TEST靜態(tài)高低溫半自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

圖：PMST-MP 靜態(tài)參數(shù)半自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

圖：PMST-AP 靜態(tài)參數(shù)全自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

        精準(zhǔn)始于源頭。普賽斯儀表作為率先自主研發(fā)、國(guó)內(nèi)首家將數(shù)字源表SMU產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期深入的研發(fā)應(yīng)用，已經(jīng)完全掌握了源測(cè)量單元的邏輯與算法，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。PMST功率器件靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)系列產(chǎn)品采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，集成自主研發(fā)的高壓測(cè)試單元、大電流測(cè)試單元、小功率測(cè)試單元，為用戶(hù)后續(xù)靈活添加或升級(jí)測(cè)量模塊以適應(yīng)不斷變化的測(cè)量需求，提供了極大便捷和最優(yōu)性?xún)r(jià)比，具有高度易用性和可擴(kuò)展性，任何工程師都能快速掌握并使用。

01大電流輸出響應(yīng)快，無(wú)過(guò)沖

        自主研發(fā)的高效能脈沖式大電流源，其輸出建立過(guò)程響應(yīng)迅速，且無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象。在測(cè)試環(huán)節(jié)，大電流的典型上升時(shí)間僅為15μs，脈沖寬度可在50~500μs之間靈活調(diào)整。采用此種脈沖大電流測(cè)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(cè)試結(jié)果的精確性與可靠性。

02高壓測(cè)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(kāi)反應(yīng)迅速，且無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象。在進(jìn)行擊穿電壓測(cè)試時(shí)，可靈活設(shè)定電流限制或電壓限值，以確保設(shè)備不因過(guò)壓或過(guò)流而受損，有效保護(hù)器件的安全性和穩(wěn)定性。

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

結(jié)語(yǔ)

        目前，普賽斯儀表功率器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)銷(xiāo)往全國(guó)并出口海外，被國(guó)內(nèi)外多家半導(dǎo)體頭部企業(yè)認(rèn)可。我們堅(jiān)信，通過(guò)持續(xù)的技術(shù)研發(fā)與國(guó)際合作，秉持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先的理念，不斷突破技術(shù)壁壘，優(yōu)化產(chǎn)品性能，未來(lái)普賽斯儀表將為全球客戶(hù)提供更加精準(zhǔn)、高效、可靠的功率半導(dǎo)體測(cè)試解決方案。