在許多情況下，工程師發(fā)現他們的教育、培訓和職業(yè)道路把自己引向了非常窄的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。盡管他們可以在一兩個(gè)領(lǐng)域中積累專(zhuān)家級知識，但他們很少能了解同行們在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期其他領(lǐng)域面臨的測試和表征挑戰。他們有時(shí)需要與其他工程師協(xié)作，在他們走出舒適區時(shí)，由于缺乏對這些挑戰的了解，就會(huì )產(chǎn)生很多問(wèn)題。

 

讓我們從測試和表征的角度看一下功率半導體生命周期中都涉及了哪些挑戰。

 

 

應用工程師與客戶(hù)協(xié)作，他們一直要對設計進(jìn)行壓力測試，或者要擴展設計，實(shí)現最大效率。這些客戶(hù)需要器件技術(shù)數據之外的細節。他們的要求一直在不斷變化，因此要測量的項目可能每天都會(huì )變化。怎樣才能迅速簡(jiǎn)便地進(jìn)行測量，而又不會(huì )浪費時(shí)間重新學(xué)習軟件或儀器呢？

 

對這類(lèi)應用，非常重要的一點(diǎn)是要有一整套測試功能，包括脈沖、DC和C-V。采用器件專(zhuān)用詞匯的軟件（而不是儀器專(zhuān)用詞匯）可以幫助簡(jiǎn)化測量。這些軟件還可以簡(jiǎn)化多臺源測量單元（SMU）儀器之間的交互，用戶(hù)可以把重點(diǎn)放在被測器件上，而不是測量?jì)x器上。

 

為使事情變得更簡(jiǎn)便，各廠(chǎng)商開(kāi)始提供適用于SMU儀器的智能手機和平板電腦應用（圖1），來(lái)執行I-V表征，包括2端子和3端子器件測試及趨勢監測。這些應用可以互動(dòng)分析和查看器件特點(diǎn)，而不需要編程。其應用包括各種材料、2端子和多端子半導體器件、太陽(yáng)能電池和嵌入式系統上的電流相對于電壓關(guān)系（I-V）測試。

 

圖1.IVy 安卓應用與Keithley SMUs協(xié)作，執行I-V表征。

 

 

為有效設計滿(mǎn)足客戶(hù)最新要求的器件，功率器件設計工程師和工藝工程師必須了解怎樣調整工藝，得到想要的器件性能。他們必須相信器件模型充分準確，改變特定工藝步驟必須在器件測量參數中產(chǎn)生必要的變化。因此，器件工程師必須對關(guān)鍵器件參數執行初步檢驗。

 

為幫助在更少的時(shí)間內把全面優(yōu)化的器件帶入市場(chǎng)，參數曲線(xiàn)示圖儀現在配備了軟件，可以迅速檢驗關(guān)鍵器件參數及器件特點(diǎn)，包括實(shí)時(shí)跟蹤模式（圖2），檢查基礎器件參數，如擊穿電壓；全面參數模式，提取精確的器件參數。除操作直觀(guān)外，這些工具還包括大型器件程序庫和內置公式工具，可以迅速把測量與器件參數關(guān)聯(lián)起來(lái)。

 

圖2.跟蹤模式可以全面表征器件。

 

 

表征工程師提供了必要的專(zhuān)業(yè)測量知識，并了解測量異常會(huì )給器件性能非目標領(lǐng)域帶來(lái)什么樣的影響。必須快速獲得結果，以便器件工程師或工藝工程師能夠反復操作，把測量數據迅速轉換成器件參數。

 

測量高功率半導體器件的DC和電容參數要求足夠的專(zhuān)業(yè)知識，優(yōu)化各種測量的精度。即使對擁有這種專(zhuān)業(yè)知識的工程師，管理開(kāi)點(diǎn)狀態(tài)、關(guān)點(diǎn)狀態(tài)和電容-電壓（C-V）測量之間的設置變化仍可能會(huì )耗費大量時(shí)間，而且容易出錯。

 

這些挑戰在晶圓環(huán)境中尤其棘手。功率晶體管、FET或二極管的特性曲線(xiàn)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(xiàn)要求高流儀器，如SMU （源測量單元）。在并行配置多個(gè)SMU時(shí)，它們會(huì )產(chǎn)生高達100A的脈沖電流，在管理線(xiàn)纜電阻和電感、以保證精確結果方面會(huì )產(chǎn)生相應的挑戰。

 

在對功率半導體器件執行全面的DC I-V和C-V測試時(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量類(lèi)型之間的連接變化?？梢酝ㄟ^(guò)T型偏置進(jìn)行I-V和C-V測量，而不需改變連接，從而減少用戶(hù)出錯的機會(huì )。

 

圖3.高功率接口面板解決了晶圓器件測試的連接挑戰。

 

［圖示內容：］

 

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

 

Cabling differences between measurements： 測量之間的線(xiàn)纜差異

 

Connector interface to probe staTIons and fixtures： 連接器到探頭站和夾具的接口

 

 

為讓器件正確準備投產(chǎn)，生產(chǎn)測試工程師必須證明能否可靠地生產(chǎn)器件。必須收集測量數據，獲得器件技術(shù)數據的統計結果；必須優(yōu)化測試時(shí)間，滿(mǎn)足要求的生產(chǎn)吞吐量。對這些應用，多功能儀器為迅速獲得測量數據提供了最佳途徑，并使連接變化和開(kāi)關(guān)達到最小。

 

SMUs是經(jīng)驗證可以用于半導體應用的多功能儀器。增加測試腳本的SMU儀器可以改善吞吐量，因為其實(shí)現了緊密同步，內置復雜運算處理器，在儀器內部執行決策，從而最大限度地縮短了通信時(shí)間。SMUs儀器可以用于參數曲線(xiàn)示圖儀配置中，實(shí)現交互測試及自動(dòng)生產(chǎn)測試。其提供了自動(dòng)軟件（圖4），同時(shí)融合了先進(jìn)的半導體測試功能以及控制、數據報告和統計功能。

 

圖4.測試軟件把器件和測試與站點(diǎn)和子站對應起來(lái)，而不需要為每個(gè)子站重復每項測試，縮短了測試開(kāi)發(fā)時(shí)間。

 

 

為確定器件滿(mǎn)足商用可靠性標準，可靠性測試工程師擔負著(zhù)多項職責：

 

· 確定器件能否承受環(huán)境壓力，持續滿(mǎn)足規范

 

· 回答客戶(hù)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用，包括軍事/國防、航空和汽車(chē)

 

創(chuàng )建統計相關(guān)結果要求足夠的測試器件樣本數量。對多個(gè)器件進(jìn)行壓力測量，要求多通道并行測試及自動(dòng)評估數據。

 

綜合測試系統一般用于這類(lèi)應用，可進(jìn)行定制，適應各種應用環(huán)境。這些系統使用軟件控制，循環(huán)執行壓力測量，制訂綜合決策。市場(chǎng)上有各種電源和SMU儀器解決方案，可以為任意數量的器件同時(shí)供電和進(jìn)行測試。

 

 

一旦驗證了器件，就可以準備投入商用。用戶(hù)必須檢驗器件位于應用的容限范圍內，保證最終產(chǎn)品實(shí)現預計的功率效率。在器件成熟，從多家供應商供貨時(shí)，功率器件消費者要迅速檢測拿到的器件，識別和消除假冒產(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。

 

 

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計問(wèn)題引起的。一旦做出這種決定，那么在設計和工藝工程中必須知道故障原因，從而可以實(shí)施工藝變化或設計變化，防止將來(lái)再次出現故障。

 

能夠迅速測量器件技術(shù)數據非常重要，包括靜態(tài)數據和動(dòng)態(tài)數據。要模仿最終應用，以復現故障。擁有跟蹤模式的參數曲線(xiàn)示圖儀可以執行這類(lèi)分析工作。內置壓力測試測量的軟件工具可以復現導致器件性能劣化的情況。

 

 

從始至終，測試和測量在把新功率半導體器件帶到市場(chǎng)，并使其適應客戶(hù)應用，發(fā)現問(wèn)題來(lái)源中發(fā)揮著(zhù)重要作用。了解整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及各階段的測試挑戰有助于保證整個(gè)設計流程平滑運行。