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碳化硅功率器件動態(tài)特性測試技術(shù)方案
閱讀：147 發(fā)布時間：2024-9-11碳化硅功率器件
碳化硅功率器件作為新一代功率半導(dǎo)體器件，以其優(yōu)異的特性獲得了廣泛的應(yīng)用，同時也對其動態(tài)特性測試帶來了挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段存在的主要問題有以下三點：
一點是，每個人都在講碳化硅器件動態(tài)特性測試很難，但動態(tài)特性到底包含哪些，測試難點是什么？并沒有被系統(tǒng)地梳理過，也沒有形成行業(yè)共識。
第二點是，得到的測試結(jié)果是否滿足需求，或者說“測得對不對"，還沒有判定標(biāo)準(zhǔn)。這主要源自大部分工程師對碳化硅器件動態(tài)特性還不夠了解，不具備解讀測試結(jié)果的能力。
第三點是，芯片研發(fā)、封裝設(shè)計與測試、系統(tǒng)應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)的人員之間掌握的知識存在鴻溝，又缺乏交流，會導(dǎo)致測試結(jié)果能發(fā)揮的作用非常有限，同時下游的問題不能在上游就暴露并解決，對加快產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)速度造成負面影響。
Part.1
我們先對碳化硅器件動態(tài)特性進行簡單的定義和介紹。
提到動態(tài)特性，大家的一反應(yīng)一定是開關(guān)特性，這確實是功率器件的傳統(tǒng)核心動態(tài)特性。由于其是受到器件自身參數(shù)影響的，故器件研發(fā)人員可以根據(jù)開關(guān)波形評估器件的特性，并有針對性地進行優(yōu)化。另外，電源工程師還可以基于測試結(jié)果對驅(qū)動電路和功率電路設(shè)計進行評估和優(yōu)化。
當(dāng)SiC MOSFET應(yīng)用在半橋電路時就會遇到串?dāng)_問題，可能會導(dǎo)致橋臂短路和柵極損傷。同樣的，器件研發(fā)人員和電源工程師都需要根據(jù)串?dāng)_測試結(jié)果進行下一步工作。SiC MOSFET的開關(guān)速度快、柵極負向耐壓能力差，使得串?dāng)_問題是影響SiC MOSFET安全運行的棘手問題和限制充分發(fā)揮其高開關(guān)速度的主要障礙之一。同時，串?dāng)_問題是開關(guān)過程的產(chǎn)物。所以我們認為串?dāng)_特性應(yīng)該算作碳化硅器件動態(tài)特性的一部分，這樣既能體現(xiàn)開關(guān)過程的影響，又能體現(xiàn)現(xiàn)階段碳化硅器件相對于硅器件的特殊性。
在整流輸出和MOS-Diode橋式電路中往往都會出現(xiàn)SiC Diode或SiC MOSFET體二極管的反向恢復(fù)過程，發(fā)生反向恢復(fù)也是與開關(guān)過程伴生的，也是功率二極管的傳統(tǒng)核心動態(tài)特性。
綜上所述，碳化硅器件的動態(tài)特性應(yīng)該包含開關(guān)特性、串?dāng)_特性和反向恢復(fù)特性三個部分。
剛才我們提到，串?dāng)_和反向恢復(fù)是與開關(guān)過程伴生的，這也就意味著，碳化硅動態(tài)特性的三個部分可以采用統(tǒng)一的測試方法，即雙脈沖測試。
雙脈沖測試采用的是電感負載半橋電路，右邊是測試波形示意圖。可以看到，驅(qū)動電路向QL發(fā)送雙脈沖控制信號，各個波形都呈現(xiàn)出兩個脈沖的形態(tài)，故稱之為雙脈沖測試。QL在t2時刻開通，t3時刻關(guān)斷，此時可以觀測到QL的關(guān)斷過程和QH的關(guān)斷串?dāng)_。QL在t4時刻再次開通，此時可以觀測到QL的開通過程和QH的開通串?dāng)_和反向恢復(fù)。
開關(guān)波形包括柵源極電壓VGS、漏源極電壓VDS、漏源極電流IDS。基于得到的開通和關(guān)斷波形，可以獲得很多開關(guān)特性的參數(shù)，包括：開關(guān)延時、開關(guān)時間、開關(guān)能量、開關(guān)速度、開通電流尖峰、關(guān)斷電壓尖峰。
根據(jù)陪測管類型和被測器件的位置，可以得到四種測試電路，根據(jù)需求和實際應(yīng)用情況選擇即可。
開關(guān)特性受到多方面因素的影響，包括器件參數(shù)、外圍電路和工況，這里就不再詳細展開了。但這一點對我們有兩點啟發(fā)：一是，器件研發(fā)人員可以將開關(guān)過程測試結(jié)果和器件其他參數(shù)綜合在一起進行評估，對器件參數(shù)的優(yōu)化有指導(dǎo)意義；第二是，即使是同一型號的器件，其開關(guān)特性并不固定不變的，這也就是為什么在不同的測試平臺上測得的結(jié)果差異很大，往往與規(guī)格書上的數(shù)值也存在很大偏差。
反向恢復(fù)波形包括端電壓VF、端電流IF。基于得到的反向恢復(fù)波形，可以獲得的反向恢復(fù)特性的參數(shù)包括：反向恢復(fù)時間、反向恢復(fù)電流、反向恢復(fù)電荷、反向恢復(fù)能量。與開關(guān)特性一樣，有四種反向恢復(fù)特性測試電路，器件參數(shù)、外圍電路和工況也同樣會影響其反向恢復(fù)特性的測試結(jié)果。
串?dāng)_波形包括柵源極電壓VGS，而漏源極電壓VDS、漏源極電流IDS能夠輔助串?dāng)_過程的分析。基于得到的串?dāng)_波形，可以獲得的串?dāng)_特性的參數(shù)是串?dāng)_正向和負向尖峰。由于串?dāng)_只發(fā)生在MOS-MOS半橋電路中，故只有兩種測試電路，與開關(guān)和反向恢復(fù)測試電路不同。而串?dāng)_特性也同樣受到了器件參數(shù)、外圍電路和工況的影響。
Part.2
剛才我們提到，現(xiàn)階段遇到的一個難題是“如何判斷測試結(jié)果是否符合要求"，而要求一定來自具體的測試場景和測試需求。
需要進行碳化硅器件動態(tài)特性測試的場景非常多：在器件廠商，在進行產(chǎn)品調(diào)研分析、工程樣品驗證、規(guī)格書制作時需要測試；在封裝廠商，在進行封裝設(shè)計、出廠測試、裸片篩選時需要測試；在系統(tǒng)應(yīng)用廠商，在進行來料檢測、器件認證、器件選型、損耗計算、驅(qū)動設(shè)計、功能調(diào)試時需要測試；在科研機構(gòu)，無論是做器件研究還是應(yīng)用研究，也都需要進行測試。可以說，碳化硅器件的動態(tài)特性測試橫跨產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域、涵蓋器件產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)、貫穿器件完整生命周期，從這一點上也能夠看出其具有重要意義。
在針對每一個測試需求給出對測試結(jié)果的要求之前，我們先回到測量的本質(zhì)要求，即準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度。
測試結(jié)果越接近芯片上的實際值，即上方的紅點越接近圓心，則其準(zhǔn)確度越高。相同的測試條件下進行多次測量的一致性越好，即上方的紅點越集中，則精準(zhǔn)度越高。按照準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度，可分為四種情況。低準(zhǔn)確度、低精準(zhǔn)度和高準(zhǔn)確度、低精準(zhǔn)度的測試結(jié)果毫無價值；低準(zhǔn)確度、高精準(zhǔn)度比較容易達到，這樣的測試結(jié)果適合用于考察器件的一致性；高準(zhǔn)確度、高精準(zhǔn)度的測試結(jié)果可用于器件特性分析、損耗計算、封裝設(shè)計、串?dāng)_抑制研究。
在關(guān)注動態(tài)過程時，準(zhǔn)確度的優(yōu)先級更高；在關(guān)注器件參數(shù)一致性時，精準(zhǔn)度的優(yōu)先級更高。研發(fā)、應(yīng)用、生產(chǎn)對動態(tài)測試的要求依次從高到低降低。
根據(jù)前面的分析，表格中給出了各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)中的不同測試場景需要進行的碳化硅器件動態(tài)特性測試項目及相對的要求高低，星號越多則要求越高。
在器件研發(fā)、功率模塊設(shè)計以及學(xué)術(shù)研究時，非常關(guān)注動態(tài)特性的過程，對波形的形態(tài)和幅值斤斤計較，故要求高，準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度的要求都是5顆星。而在出貨測試和來料檢驗時，只要測試足夠穩(wěn)定、偏差很固定，測試結(jié)果在給定的范圍內(nèi)即可，其要求低，精準(zhǔn)度和精準(zhǔn)度的要求都是1顆星。在使用SiC MOSFET時，串?dāng)_問題的影響非常大，則對其準(zhǔn)確度的要求是5顆星。其他場景就不再一一列舉了。
Part.3
接下來我們一起看看測試技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
雙脈沖測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很簡單，主要部件包括測試電路、負載電感、信號發(fā)生器、輔助電源、直流電源、示波器、電壓探頭以及電流傳感器探頭。測試技術(shù)的挑戰(zhàn)都可以轉(zhuǎn)化為對測試系統(tǒng)中各個部件的要求。
測試電路的作用是向被測器件提供運行條件，確保其工作在正確的工況下。
測試電路是否滿足要求的評判標(biāo)準(zhǔn)是在確定測量環(huán)節(jié)無誤和被測器件特性正常的情況下，測得波形不存在異常，如關(guān)斷電壓尖峰超過器件電壓等級、器件誤導(dǎo)通、出現(xiàn)不符合理論的震蕩等等現(xiàn)象。
這就需要測試電路在以下幾點進行優(yōu)化：主功率回路電感需要盡量小，以免關(guān)斷電壓尖峰超過器件耐壓值而導(dǎo)致器件損壞；驅(qū)動回路電感需要盡量小，以免發(fā)生不必要的驅(qū)動波形震蕩；驅(qū)動電路需要能夠方便地進行改變參數(shù)，其電流輸出能力需要滿足要求，同時需要考慮增加各類保護功能；負載電感需要做到電阻小、等效并聯(lián)電容小；母線電容需要控制在合理范圍內(nèi)。
測量儀器的作用是獲取被測器件上所關(guān)注的電壓和電流波形。
測量儀器是否滿足要求的評判標(biāo)準(zhǔn)是在測試電路符合要求、被測器件特性正常、測量儀器使用方法正確的情況下，測量結(jié)果滿足此時測試需求對測試結(jié)果的要求。因為是沒有真實值作為評判標(biāo)準(zhǔn)，只能通過正確選擇儀器類型和指標(biāo)，采用正確的使用方法和連接方式，盡量避免由測量儀器導(dǎo)致的偏差，同時通過分析波形的主要特征的合理性進行判斷。
下邊給出的波形說明了選擇合適的測量儀器重要性。例如，測量電流時，使用羅氏線圈測得的波形相比于使用同軸電阻測得的波形，上升速度慢、幅值也偏低，這就是羅氏線圈的帶寬過低，不能滿足碳化硅高開關(guān)速度的需求。測量上橋臂器件驅(qū)動波形時，采用高壓差分探頭測得的結(jié)果呈現(xiàn)出欠阻尼和過阻尼的狀態(tài)，只有采用光隔離探頭才得到方波狀驅(qū)動波形，這是由于光隔離探頭具有更高的共模抑制比，適合測量含有高壓高速跳變的共模電壓的驅(qū)動波形。
另外一個沒有形成共識，但受到大家關(guān)注的就是雙脈沖測試參數(shù)如何設(shè)定。不同規(guī)格的器件，測試條件不同，參數(shù)設(shè)定自然不同，但依然可以提出一些原則。
雙脈沖型號寬度有一脈寬τ1、第二脈寬τ3、脈沖間隔τ2。它們的時長下限都是需要滿足波形震蕩結(jié)束，以能夠完整觀測波形，且不影響接下來的動態(tài)過程。一脈寬τ1的上限制約條件是母線電壓跌落小，器件自發(fā)熱少。脈沖間隔τ2的上限制約條件是電流跌落在要求范圍內(nèi)。第二脈寬τ3的上限制約條件是電流不會過高導(dǎo)致關(guān)斷電壓尖峰過高。
這里需要注意的是，一脈寬τ1時長可由測試電流、負載電感、測試電壓確定。母線電容的小值由負載電感、測試電流、母線電壓、允許的母線電壓跌落比例確定。負載電感由脈沖間隔τ2、續(xù)流二極管壓降、測試電流、允許的測量電流跌落比例確定。由此可見，一脈寬τ1、脈沖間隔τ2、母線電容、負載電感、測試電壓和電流之間是互相制約的，這也使得確定雙脈沖測試參數(shù)的過程會比較復(fù)雜。
Part.4
一個問題是有關(guān)測量準(zhǔn)確度的，也是我們一直忽略的問題，那就是測量點間寄生參數(shù)的影響。
SiC MOSFEF分立器件常見的封裝形式是TO-247-4PIN和TO-247-3PIN，通過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，兩者的差異是TO-247-4PIN有一根專用于驅(qū)動的KS引腳，實現(xiàn)了主功率回路和驅(qū)動回路的解耦，而TO-247-3PIN是主功率回路和驅(qū)動回路共用S引腳。
在測量分立器件電壓時，電壓探頭只能夾在引腳上，那么一部分引腳、bonding線、SiC MOSFET芯片內(nèi)部柵極電阻都被包含進了電壓測量點之間。我們通過下邊的等效電路就可以看出它們的影響了。需要注意的是VGS是CGS的端電壓，是用于做分析時實際所需要的驅(qū)動波形，是真正有用的信號，VGS(M)是我們能測得的結(jié)果，它們之間存在寄生參數(shù)，VDS和VDS(M)同理。而驅(qū)動電流IG、負載電流IDS會在這些寄生參數(shù)上產(chǎn)生壓降，也被電壓探頭測得，與芯片上的真實信號相加，共同構(gòu)成了測量結(jié)果。
可以很容易得到測量值與真實值之間的關(guān)系，如下邊的公式所示。需要注意的是，TO-247-4PIN和TO-247-3PIN受寄生參數(shù)的影響的不同在于，TO-247-3PIN器件電壓測量結(jié)果會受到IDS在S極封裝寄生電感上產(chǎn)生的電壓的影響，而TO-247-4PIN器件不會。其原因就是剛剛提到的兩者結(jié)構(gòu)上的差異。
對于功率模塊，電壓探頭同樣只能接在模塊的端子上，不能直接接觸芯片。這里有四個功率模塊，打開其外殼可以觀察到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。可以看到，從芯片到模塊端子有金屬走線和bonding線，距離端子越遠的芯片，走線越長。另外，為了避免并聯(lián)的芯片之間發(fā)生柵極震蕩，會額外給每顆芯片單獨增加一顆柵極電阻。以上這些電感和電阻上的電壓也都會被計入測量結(jié)果中。
先來看一下寄生參數(shù)對開關(guān)特性的影響。實線為芯片上真實值，虛線為測量結(jié)果，可以看到實線和虛線具有明顯差異。
在開關(guān)過程之初，VGS虛線測量結(jié)果在一開始呈現(xiàn)幾乎垂直變化，而不是CR充放電過程；在開通過程，當(dāng)VGS虛線測量結(jié)果超過閾值電壓時，仍然沒有電流流過；在關(guān)斷過程，當(dāng)VGS虛線測量結(jié)果低于閾值電壓，IDS仍然很高。這些都是與理論嚴重不符的，足以證明VGS虛線測量結(jié)果的錯誤。而對于TO-247-3PIN器件，VGS虛線測量結(jié)果出現(xiàn)一個向上的尖峰，使用過3PIN器件的工程師一定被這個尖峰折磨過，擔(dān)心其影響器件柵極的安全。但這個尖峰并不存在于芯片上，是由于IDS快速上升在S極封裝寄生電感上產(chǎn)生的電壓的被誤計入了。
由此可見，由于寄生參數(shù)的影響使得測得的波形偏離了真實的波形，如果基于錯誤的測量結(jié)果進行開關(guān)過程分析、損耗計算、安全判定，那就把會把我們帶進溝里。
現(xiàn)在我們來看一下寄生參數(shù)對串?dāng)_特性的影響。對于TO-247-4PIN器件，VGS虛線測量結(jié)果總是低于VGS實線芯片真實值。也就是說，測量結(jié)果低估了串?dāng)_的嚴重程度。對于TO-247-3PIN器件，VGS虛線測量結(jié)果與VGS實線芯片真實值之間存在巨大偏差，存在非常夸張的震蕩，按VGS虛線測量結(jié)果分析，既會發(fā)生橋臂直通，也會發(fā)生柵極擊穿。
由此可見，由于寄生參數(shù)的影響，錯誤的測量會使我們對串?dāng)_情況做出誤判，而TO-247-3PIN器件更為嚴重。這也是更加推薦使用TO-247-4PIN器件的原因，測得的開關(guān)和串?dāng)_波形與芯片真實值的偏差不會像TO-247-3PIN器件那么離譜。
測量結(jié)果是否接近芯片上的真實值，屬于測量準(zhǔn)確度的一方面。當(dāng)我們關(guān)注開關(guān)過程、串?dāng)_的值時，就需要盡量排除掉寄生參數(shù)的影響，獲得芯片上真實的波形。
我們再回到準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度上來。在為了獲得更靠譜的碳化硅器件動態(tài)過程波形的道路上，廣大工程師和科研工作者做了很多努力：提高測量系統(tǒng)帶寬、提高探頭共模抑制比、改善測量連接方式都是在準(zhǔn)確度上做工作；提高測量儀器穩(wěn)定性、提高硬件電路穩(wěn)定性、提高測試點連接穩(wěn)定性是在精準(zhǔn)度上做工作。現(xiàn)在業(yè)內(nèi)的狀態(tài)是，精準(zhǔn)度高、準(zhǔn)確度半高的狀態(tài)，還差排除點測量點間寄生參數(shù)的影響這一步驟。
對以上內(nèi)容進行小結(jié)，我們得到四個重要結(jié)論：
1）碳化硅功率器件動態(tài)特性包括：開關(guān)特性、反向恢復(fù)特性、串?dāng)_特性
2）動態(tài)特性測試需求種類多樣，對準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度要求具有明顯差異
3）測試電路板和測量儀器是獲得正確測試結(jié)果的保障，需合理設(shè)計和選型
4）測量點間寄生參數(shù)是獲得芯片上真實電壓信號的瓶頸，具有顯著的負面影響