涂啟志，凌浪波

（1.無錫廣播電視大學(xué)，江蘇無錫214011;2．株洲中車時(shí)代電氣有限公司，湖南株洲412000）

高壓IGBT芯片高溫測試溫度的閾值電壓標(biāo)定

涂啟志1，凌浪波2

（1.無錫廣播電視大學(xué)，江蘇無錫214011;2．株洲中車時(shí)代電氣有限公司，湖南株洲412000）

IGBT（Insulate Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管）已得到廣泛應(yīng)用。為提高封裝階段的成品率，需對(duì)芯片的高溫漏電特性進(jìn)行測試。通過對(duì)芯片測試參數(shù)的分析，提出了可通過對(duì)Vgth（閾值電壓）的測試、比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片在高溫測試條件下實(shí)際測試溫度的校正。

IGBT；閾值電壓；高溫；漏電流

1 引言

IGBT（Insulate Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管）目前已經(jīng)在各種電力電子變換裝置中得到了廣泛的應(yīng)用，成為中、大功率電力電子裝置的主導(dǎo)器件，不僅廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，而且也廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)、交通運(yùn)輸、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和新能源系統(tǒng)。

IGBT器件的縱向剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。從剖面結(jié)構(gòu)來看，它可視為功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管。因此，可以將其看作是MOS輸入的達(dá)林頓管。其簡化等效電路圖如圖2所示。

圖1 IGBT器件的剖面示意圖

由于其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，所以IGBT具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低、控制電路簡單和承受電流大等特性。

由于其廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，使得IGBT器件經(jīng)常需要工作在高溫環(huán)境中，因此，器件在高溫環(huán)境下的高壓漏電流將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 簡化等效電路圖

同時(shí)，大功率IGBT模塊通常由多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)封裝而成。因此倘若個(gè)別IGBT芯片在模塊進(jìn)行高溫測試時(shí)出現(xiàn)漏電失效的問題，則會(huì)造成整只模塊的報(bào)廢，使得該模塊中其余正常芯片被報(bào)廢，連同相應(yīng)的封裝、測試成本損耗，從而形成極大的損失。

由此，在芯片測試階段對(duì)芯片進(jìn)行高溫漏電測試，將極大地減少后端工藝的失效率，對(duì)提高產(chǎn)品成品率、降低生產(chǎn)成本具有重要的意義。

2 高壓反向漏電流與溫度的關(guān)系

IGBT高壓反向漏電流為發(fā)射極和柵極接地、集電極加高壓偏置時(shí)集電極上通過的電流。為防止器件出現(xiàn)閂鎖，IGBT的寄生PNP晶體管的放大倍數(shù)被嚴(yán)格限制，使得PNP管的放大效應(yīng)可以被忽略。

由圖1可以看出，器件的反向漏電流的大小由P阱和N襯底構(gòu)成的PN結(jié)的反向漏電流確定。其反向漏電流公式為：

反向漏電流由產(chǎn)生電流和擴(kuò)散電流兩部分構(gòu)成，室溫附近是產(chǎn)生電流起主導(dǎo)作用，而高溫區(qū)是擴(kuò)散電流起主導(dǎo)作用。

而擴(kuò)散電流隨溫度的變化主要由exp[-Eg/(k0T)]決定，因此反向漏電流在高溫區(qū)將隨著溫度的升高而迅速增大。由此可知確保測試溫度的準(zhǔn)確和穩(wěn)定對(duì)芯片的高溫漏電測試意義重大。

同時(shí)，對(duì)于高電壓電子器件，在芯片測試時(shí)若器件處于通常的大氣環(huán)境中，由于測試針卡與基板間距離有限，在測試高壓參數(shù)的過程中，易發(fā)生空氣電離，進(jìn)而在針卡與基板形成導(dǎo)電通道，將嚴(yán)重影響測試的準(zhǔn)確性，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐尚酒膿p傷。在進(jìn)行2500 V及以上電壓的測試時(shí)，此類現(xiàn)象尤其明顯。

通過提高測試區(qū)域的大氣壓力，并采用干燥氮?dú)猓∟2），可以有效避免此類氣體放電現(xiàn)象的發(fā)生。因此需要對(duì)針卡進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。

圖3 針卡測試示意圖

圖3中，由①進(jìn)入的氮?dú)夥忾]在由③、⑤、⑥、⑦形成的空腔內(nèi)，使得空腔內(nèi)的壓力達(dá)到數(shù)個(gè)大氣壓，同時(shí)，在密閉環(huán)的底部設(shè)置有小孔，可形成高壓氣幕，避免因基板和密閉環(huán)接觸不夠緊密而漏氣，并進(jìn)而影響到空腔內(nèi)的壓力。

通過此類針卡雖然可以實(shí)現(xiàn)在高氣壓環(huán)境下進(jìn)行測試，但在進(jìn)行高溫漏電流測試時(shí)出現(xiàn)了如圖4所示的分布特性。每個(gè)批次的前幾只芯片漏電流明顯大于其他芯片，且隨著測試的進(jìn)行，漏電流逐漸變小并最終達(dá)到平衡。

圖4 高溫靜態(tài)漏電測試分布特性曲線

經(jīng)分析，該現(xiàn)象是由于高壓氮?dú)獾牧鲃?dòng)，使基板的表面溫度發(fā)生變化而引起。當(dāng)剛開始測試時(shí)，基板表面溫度較高，隨著測試到一定的時(shí)間，基板表面溫度逐漸降低，并最終達(dá)到平衡。但由于設(shè)備中溫度傳感器放置位置的原因，使得基板表面的溫度變化在設(shè)備上無法得到顯示，無法確定芯片的實(shí)際測試溫度。

為準(zhǔn)確得到芯片的實(shí)際結(jié)溫，根據(jù)IGBT芯片的器件特性，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)分析，并非所有IGBT芯片的靜態(tài)參數(shù)測試都需要施加高電壓。當(dāng)進(jìn)行Vgth測試時(shí)，VCE僅需在0～6 V之間進(jìn)行掃描。因此Vgth可在大氣環(huán)境下進(jìn)行測試。由半導(dǎo)體理論可知：

式（3）表明，閾值電壓隨著溫度的升高而下降。由此可以測出在大氣環(huán)境下Vgth隨溫度變化的曲線，并加以擬合，再與標(biāo)準(zhǔn)高溫測試時(shí)的Vgth測試值相比較，即可得出相應(yīng)的溫度值。

通過對(duì)多批次測試數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)每個(gè)批次均在其測試的最初大約10～15只漏電流偏大，其后的芯片即可達(dá)到平衡。由此可先行對(duì)整批IGBT芯片進(jìn)行高溫測試，再在溫度平衡區(qū)域內(nèi)選出若干芯片，采用不加氣壓的方式，在不同的溫度下只測試其Vgth，為確保取樣的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)設(shè)定選取15只芯片，其按照標(biāo)準(zhǔn)高溫測試條件所得Vgth測試值如表1所示。

保持芯片的測試順序不變，在大氣環(huán)境下對(duì)相同的芯片在不同溫度下測試其Vgth，起始溫度為60℃，測試溫度間隔為30℃，為確保過程中芯片與基板達(dá)到熱平衡，每次測試前芯片需在基板上置放90 s，以使芯片充分加熱。測試結(jié)果如表2所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)高溫測試條件下的V gth值

表2 V gth在大氣環(huán)境不同溫度下的測試值

結(jié)合表1和表2可以看出，不管是特定芯片還是所有芯片的平均值，其標(biāo)準(zhǔn)高溫測試條件下的Vgth值均在大氣環(huán)境下的120～150℃的測試值之間，且更接近120℃的測試值。為消除器件分布離散性和測試條件波動(dòng)的影響，對(duì)大氣環(huán)境下測試值的平均值采用2次回歸進(jìn)行曲線擬合，得出擬合曲線如圖5所示。

由此，得出Vgth與溫度關(guān)系的擬合方程：

圖5 平均值的2次回歸擬合曲線

將標(biāo)準(zhǔn)高溫測試條件下的Vgth平均值5.159 V代入式（4），可得解 T=133℃。

測試130℃下大氣環(huán)境中芯片的Vgth，如表3所示。

比較表 1 和表 3，發(fā)現(xiàn) #3、#5、#8、#9、#11、#13、#14、#15芯片，共有8只芯片兩次測試的數(shù)據(jù)相同，其余7只芯片表3數(shù)值略大于表1，考慮在連續(xù)測試下溫度為一動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，基板表面溫度出現(xiàn)一定的波動(dòng)為正?，F(xiàn)象。通過對(duì)不同芯片的單片測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過計(jì)算，可知基板表面溫度在130～135℃之間波動(dòng)。

表3 130℃大氣環(huán)境下V gth測試值

4 結(jié)論

高壓IGBT芯片在進(jìn)行高溫靜態(tài)測試時(shí)，需置于高壓氮?dú)猓∟2）的保護(hù)下，以防止氣體電離而引發(fā)測試偏差甚至損傷器件。但此種方式也帶來了芯片測試溫度發(fā)生改變的問題。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定可以通過在大氣環(huán)境下對(duì)Vgth進(jìn)行溫度曲線測試、并將測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)高溫測試時(shí)的Vgth進(jìn)行比較的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)測試溫度的校正。

芯片高溫測試溫度達(dá)到平衡時(shí)，基板溫度處于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，該狀態(tài)下不同芯片的測試溫度出現(xiàn)一定的波動(dòng)為正?，F(xiàn)象。當(dāng)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)平均溫度為133℃時(shí)，該實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)的實(shí)際波動(dòng)范圍在130～135℃之間。

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VgthMethod During High Temperature Test of High-Voltage IGBT Chip

TU Qizhi1,LING Langbo2
（1.Wuxi Radio&Television University,Wuxi 214011,China；2.TEG of CRRC,Zhuzhou 412000,China）

The IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor)has been extensively used in all kinds of power electronics devices.It is important to check if chips would fail during high temperature tests.In the paper,the method of using the Vgthto check the temperature of chip surface during the high temperature test is discussed.

IGBT;Vgth;high temperature;leak current

TN407

A

1681-1070（2017）10-0013-04

2017-4-27

涂啟志（1968—），女，江蘇無錫人，碩士學(xué)歷，講師，現(xiàn)從事電子類課程的教學(xué)工作。