SiC GaN三代半功率器件測試挑戰及應對測試方案

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勢，成為功率半導體產業競相追逐的“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。

     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參數為主。MOSFET和SiC、GaN        出現后，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。根據測試條件不同，功率器件被測參數可分為兩大類：靜態特性測試和動態特性測試。靜態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；動態參數是指器件開關過程中的相關參數，這些參數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、體二極管反向恢復特性參數及柵極電荷特性參數等，主要采用雙脈沖測試進行。

     靜態參數是動態指標的前提，目前功率半導體器件的靜態特性主要是依據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下，器件絕大部分失效機理都發生在動態變化過程中，因此動、靜態參數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：

    隨著功率半導體器件（如MOSFET、IGBT、SiC     MOS）規格的不斷提升，靜態測試中的電流電壓等級要求也越來越高，要求測試系統必須能夠穩定、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

    在功率半導體器件的動態測試過程中，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。

     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，業內已經考慮增加測試節點和測試左移，從 CP+FT 測試，變為 CP + KGD + DBC +     FT測試。

圖：功率半導體器件測試流程節點

    為應對行業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、大批量產線的權方位應用。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對測試能力、精度、速度及穩定性的高要求。

圖：PMST功率器件靜態參數測試系統

圖：PSS TEST靜態高低溫半自動測試系統

圖：PMST-MP 靜態參數半自動化測試系統

圖：PMST-AP 靜態參數全自動化測試系統