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HEMT器件的瞬态热测试和功率循环

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ETM(电气法)测结温已经成为功率器件测结温的常规方法,通过对结温的高频采样,可以获得结温变化的瞬态数据,可以得到一个温度随时间的变化曲线,而这条曲线反应的就是被测器件所在的电子设备的固有的热特性,这条曲线也可以变成结构函数,通过结构函数的测量,可以对器件的散热路径做精确的分析。从而在实际的工程应用当中,我们能够对结温的估算,可靠性,能力和性能等等做客观的评价。

现有的车规级可靠性测试标准,被普遍应用的功率半导体器件可靠性测试标准有两种,即AQG-324与AEC-Q101,功率循环(Power Cycling)的原理:通过间隙导入加热电流使芯片在发热和降温之间反复循环,不断的造成器件内部温度不均匀分布,结合器件封装材料物理特性的差异(例如热膨胀系数CTE)造成器件内部的互联结构的逐渐老化,从而最终造成器件的失效。实验过程中,通过测试器件热阻参数的变化是否损坏。如果发现器件正向导通电压的突然升高情况,则表明器件内部的键合线发生了脱落或者断裂的情况。如果热阻参数升高,则表明器件在散热路径上出现损伤。

可见热阻值的变化是功率循环中的重要判据,而功率器件的结构函数的漂移可以精确显示热阻的变化值,因此,在功率循环实验中,必须先测量结构函数。

Si器件和SiC器件的结构函数是比较容易测量的。当我们测量HEMT结构函数的时候,还是发现了一些问题。

通常测量结构函数的方式有四种,如下图。



Mos-Diode模式,正向加热,正向测温,在Si MosFET器件中,通常把G和D短接,而对于IGBT,一般选择把门极电压设置成最大或者一个特定值,在这样的模式下,Si器件的电压和结温之间成一一对应的关系,从而能很好的测出结构函数。SiC器件不能用这种模式测量,因为在这种模式下,SiC器件的结温和电压不存在一一对应的关系。

Body-Diode模式,反向加热,反向测温。即把门极电压关断,测寄生二极管的电压,这电压值和结温之间也存在一一对应的关系,从而导出结构函数。这种模式的优点在于适合Si Mos、SiC Mos及IGBT,缺点是因为发热的部位是寄生二极管,和实际工作时的热源存在细小的差异,而且寄生二极管很脆,不适合做功能循环实验。

RDS-on模式,正向加热,用Vgs测温,功率的加载是固定的。我们实际加热的时候,由于电流不变,电压随温度的变化而变化,因此实际的加热功率是变化的。我们通过调节门极电压的方式,让器件的导通电压保持不变以得到恒定的加热功率,而这时,门极电压的变化和结温之间,同样存在一一对应的关系。这种方式不适合测第三代半导体。

SAT模式,正向加热,反向测温。加热时用沟道加热,测温时,把门极电压瞬间从全导通到全关断(比如从+15V变成-9V),用反向二极管的测温特性来测量结温。这种方式常用于SiC器件的功率循环实验。

我们在HEMT器件上应用这四种方式时,发觉不能应用。



在Mos Diode模式下,测试的电压信号有很大的振荡,在栅极上加电阻可以使振荡变小,但结构函数重现性不好,RDS-on模式和体二极管模式的结构函数也无重现性,SAT模式下,未加热也会出现类似于加热的瞬态响应。上述测试结果说明,在这些模式下,电学法测这样的HEMT器件的结温,不合适。

HEMT器件是高频器件,其发热的机理主要是开关损耗导致,而在热测试的时候,我们无法加载开关损耗来加载功率,而把导通损耗提升到开关损耗级别,由于HEMT的导通电阻相对较小,要想获得一定的加热功率,需要提升加热电流,这又会导致引线无法承受。HEMT是一种异质结场效应晶体管,振荡,测试噪声等等因素,我们综合考虑器件的本身特性,规避一些不合理因素,尝试寻找合适的热测试参数和热测试方法。

对一些HEMT器件做测试,发觉还是可以找到一些办法来测出HEMT器件的结构函数。

对于某种D-mode HEMT器件,我们加热时,控制门极电压以获得较高的Vds,这样即使在相对较小的电流下,也能获得一定的加热功率。加热回路如下图:



测试是为了避免振荡,我们选择用GS之间的肖特基二极管特性来测温,测温回路如下图:



实际测试中,我们用这种方法,选择合适的参数,所测试的数据还是比较理想的。



结构还是也比较理想,重现性也不错。



这种方式需要对测试设备做一定的二次开发,而且我们发觉这种方式也未必适合所有的HEMT器件。

而E-mode存在另外一种测试方式,加热和测温均用沟道,为了减小振荡,尝试加大测试电流,因为HEMT的器件导通电阻小,即使在很大的测试电流下,其发热依然非常小,这种方式要求设备可以提供比较大的测试电流。

一些HEMT器件,也有用门极的漏电流来测试,测试电流是uA级。加热时,用体二极管,及从漏极到源极加载加热电流,而测试时,用从栅极到源极的电流去测Vgs。



K系数,测试数据,和结构函数



我们还测过还有一些Cascode器件,可以用SAT模式,Vgs固定在10V,加热电流Ih和被测电流Is可以从漏极施加到源极。

可见HEMT器件的热测试,并没有一个统一的标准,实践中,我们也只能根据器件去探索和尝试一种比较可行的测试方式,这通常需要对设备进行定制和开发。而在HEMT的功率循环实验中,首先要解决的是结构函数的测试问题,再决定如何把功率循环和结构函数测试这两种功能做进一步的集成,目前整个行业并没有成熟的设备支持所有HEMT器件的瞬态热测试和功率循环。从工程角度出发,基于现在的经验,我们需要做大量不同样品的测试,尝试探索共性的原理和方法,获得可信的数据,标准化样品和对应的测试模式,从而逐步形成行业认可的测试标准。

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