詳解半導(dǎo)體分立器件脈沖測(cè)試的必要性及相關(guān)要求

本文主要討論了半導(dǎo)體分立器件參數(shù)的脈沖測(cè)試技術(shù)，在這里我們能了解 脈沖測(cè)試的必要性是什么，它的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)又是什么，實(shí)現(xiàn)脈沖測(cè)試的方法又是什么。

一、脈沖測(cè)試的必要性

半導(dǎo)體分立器件通常包括二極管、三極管、MOS 埸效應(yīng)管、結(jié)型埸效應(yīng)管、可控硅、光電耦合器等各種器件。在對(duì)這些器件進(jìn)行參數(shù)測(cè)試時(shí)，需要首先使被測(cè)試器件滿足參數(shù)測(cè)試規(guī)定的測(cè)試條件(即進(jìn)入規(guī)定的工作點(diǎn))，同時(shí)也要滿足規(guī)定的測(cè)試環(huán)境溫度，這樣所測(cè)的數(shù)據(jù)才有實(shí)際的意義。因?yàn)樗鶞y(cè)試的參數(shù)既是測(cè)試條件的函數(shù)，同時(shí)也是環(huán)境溫度的函數(shù)。例如三極管的放大倍數(shù) HFE 既是測(cè)試條件 IC 和 VCE 的函數(shù)，同時(shí)也對(duì)環(huán)境溫度非常敏感。典型 HFE-IC 曲線見圖1，典型HFE-溫度曲線見圖2。

但是除了測(cè)試條件和環(huán)境溫度會(huì)影響參數(shù)的測(cè)試外，有一點(diǎn)容易被人們忽視的是被測(cè)器件在測(cè)試條件下消耗的功率會(huì)對(duì)器件的芯片造成附加的溫升。附加溫升的大小取決于被測(cè)器件在規(guī)定測(cè)試條件下的耗散功率、該功率維持的時(shí)間 (即測(cè)試時(shí)間) 及被測(cè)器件的熱阻等幾方面因素。耗散功率越大、測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)、器件的熱阻越大，所造成的芯片附加溫升越大。這一點(diǎn)之所以容易被人們忽視是因?yàn)閭兘佑|的是被測(cè)器件的外殼，而很難知道管殼內(nèi)的芯片到底有多高的溫度，這只有通過對(duì)器件熱阻的測(cè)試和研究，才能知道器件芯片的溫升曲線是什么樣。典型芯片溫升曲線見圖3。

由于芯片溫升曲線的起始段較為陡直，升溫速率較快，其附加溫升造成的測(cè)試數(shù)據(jù)誤差常常比人們想象的嚴(yán)重得多，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下芯片的附加溫升不是幾度，而是十幾度甚至幾十度。這時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度 (尤其是低溫測(cè)試) 失去了實(shí)際的意義。

為了減小附加溫升的影響，唯一辦法是縮短測(cè)試時(shí)間。因?yàn)閰?shù)的測(cè)試條件是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，無法通過改變測(cè)試條件來降低器件的功耗，器件的熱阻也是客觀存在的，只有將測(cè)試時(shí)間縮短到使芯片附加溫升可以忽略不計(jì)，這樣被測(cè)器件的芯片溫度才接近規(guī)定的測(cè)試環(huán)境溫度。

二、有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脈沖測(cè)試的要求

由于器件芯片在參數(shù)測(cè)試時(shí)的附加溫升是耗散功率、器件熱阻和測(cè)試時(shí)間的復(fù)雜函數(shù)，很難用一個(gè)簡(jiǎn)單公式來描述在不同的耗散功率、器件熱阻和預(yù)期達(dá)到的芯片附加溫升的情況下，采用多長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間才合理。為了統(tǒng)一測(cè)試要求，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了脈沖測(cè)試的要求和推薦的條件。

1. 美軍標(biāo)準(zhǔn) MIL-STD-750C 半導(dǎo)體器件試驗(yàn)方法 4.3.2.1 規(guī)定 ：

當(dāng)在脈沖條件下測(cè)量靜態(tài)及動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)，為了避免在測(cè)量時(shí)由于器件發(fā)熱引起測(cè)量誤差，在詳細(xì)規(guī)范中應(yīng)規(guī)定下列條款 ：

a. 在測(cè)試規(guī)定中注明“脈沖測(cè)試”。

b. 除非另有規(guī)定，脈沖時(shí)間 (tp) 為 250-350 微秒，占空比最大為 2%。

2. 國(guó)軍標(biāo) GJB128-86 半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法 3.3.2.1 規(guī)定 ：

為了避免測(cè)量時(shí)器件發(fā)熱引起測(cè)試誤差，要在“脈沖”條件下測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)，應(yīng)在詳細(xì)規(guī)范中注明 ：

a. 測(cè)試中規(guī)定應(yīng)注明“脈沖測(cè)試”。

b. 除非另有規(guī)定，脈沖寬度應(yīng)為 250-350μS，占空比為 1-2%。

3. 國(guó)標(biāo) GB/T 4587-94 (等效 IEC 747-7-1988) 在脈沖法測(cè)試的規(guī)定條件中指出：

脈沖時(shí)間和占空比 (tp，δ)， 優(yōu)先選取 ： tp = 300μS， δ≤2%。

4. 國(guó)標(biāo) GB/T 6218-1996 (等效 IEC 747-7-3:1991) 在對(duì)脈沖法測(cè)試所作的注釋中規(guī)定 ：

如果采用脈沖法 ：

脈沖信號(hào)源的脈沖持續(xù)時(shí)間和占空比 (tp，δ)

優(yōu)選 ： tp = 300μS，δ≤2%。

5. 在晶體管國(guó)軍標(biāo)和行軍標(biāo)詳細(xì)規(guī)范 (或空白規(guī)范) 中一般對(duì)集電極-發(fā)射極飽和壓降 VCE sat、基極-發(fā)射極飽和壓降 VBE sat 和正向電流傳輸比 HFE 規(guī)定采用脈沖法。并在脈沖測(cè)試的條件的條款中明確規(guī)定 ：

脈沖測(cè)試條件應(yīng)按 GJB 128 的 3.3.2.1 的規(guī)定。

上述標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定就是通常所說的 300μS 脈沖測(cè)試，根據(jù)對(duì)各種半導(dǎo)體器件的熱阻的測(cè)試和研究，證明 300μS 脈沖測(cè)試的條件是經(jīng)典的，它可以保證在絕大多數(shù)情況下由于測(cè)試造成的器件芯片溫升可忽略不計(jì)。

三、實(shí)現(xiàn)脈沖測(cè)試的方法

之所以有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)規(guī)范 (或空白規(guī)范) 中對(duì) VCE sat、VBE sat 和 HFE 等參數(shù)規(guī)定采用脈沖法測(cè)試，是因?yàn)閷?duì)上述參數(shù)進(jìn)行直流法測(cè)試時(shí)，器件會(huì)承受較大的耗散功率，進(jìn)而造成器件芯片升溫，影響測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性，測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)甚至?xí)斐善骷膿p傷和損壞。

在不同的測(cè)試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)脈沖測(cè)試 (特別是 HFE 參數(shù)的測(cè)試) 采用了不同的方法，常見的有軟件閉環(huán)法 (見圖4) 和硬件閉環(huán)法 (見圖5) 兩種。

1. 軟件閉環(huán)法

軟件閉環(huán)法測(cè)試 HFE 參數(shù)的過程如下 ：

a. 設(shè)置集電極電壓源 VCC (可用由 D/A 控制的程控電壓源來實(shí)現(xiàn))，使 VCE 達(dá)到規(guī)定的電壓值。

b. 設(shè)置基極電流源 IB (可用 D/A 控制的程控電流源來實(shí)現(xiàn))，讀取集電極電流 IC 的值 (可用 A/D 來讀取)。

c. 判斷集電極電流 IC 的值是否符合測(cè)試條件規(guī)定的要求 (軟件進(jìn)行判斷)。

d. 重復(fù) b 和 c 的過程 (通常采用逐位逼近的方法)，使集電極電流 IC 逼近測(cè)試條件規(guī)定的要求。

e. 讀取基極電流 IB 的值 (D/A 的最終設(shè)置值)，并計(jì)算出 HFE 參數(shù)的值。

2. 硬件閉環(huán)法

硬件閉環(huán)法測(cè)試 HFE 參數(shù)的過程如下 ：

a. 設(shè)置集電極電壓源 VCC (可用由 D/A 控制的程控電壓源來實(shí)現(xiàn))，使 VCE 達(dá)到規(guī)定的電壓值。

b. 用硬件比較器比較集電極電流 IC 和測(cè)試條件規(guī)定的 IC 值 (由 D/A 設(shè)置)，比較的結(jié)果控制基極電流源 IBB，進(jìn)而控制集電極電流 IC 使之自動(dòng)穩(wěn)定到規(guī)定的 IC 值。

c. 讀取基極電流 IB 的值 (A/D 讀取)，并計(jì)算出 HFE 參數(shù)的值。

3. 兩種測(cè)試方法的比較

根據(jù)對(duì)兩種方法測(cè)試過程的分析和比較，可以看出存在著如下幾方面的差異 ：

a. 軟件閉環(huán)法的控制原理實(shí)際上是對(duì)直流法人工調(diào)節(jié)過程的一種改良，從硬件的角度上來講實(shí)際上是一種開環(huán)控制。而硬件閉環(huán)法是真正采用閉環(huán)反饋和自動(dòng)調(diào)節(jié)的原理。

b. 軟件閉環(huán)法由于每次 IB 設(shè)置都需要軟件介入判別，并需經(jīng)過多次修改 IB 設(shè)置才能使 IC 接近規(guī)定的測(cè)試工作點(diǎn)，因此整個(gè)控制過程時(shí)間很長(zhǎng)，不可能在 300μS 的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定測(cè)試條件并讀取數(shù)據(jù)，通常需要幾毫秒、幾十毫秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，所以不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，同時(shí)由于測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致器件發(fā)熱，影響了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。而硬件閉環(huán)法可以在 300μS 時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)測(cè)試條件的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的讀取，因而符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，測(cè)試時(shí)間造成的器件溫升可以忽略不計(jì)。

c. 軟件閉環(huán)法由于從硬件的角度上來講實(shí)際上是一種開環(huán)控制，因此集電極電流 IC 只能接近規(guī)定值，當(dāng)被測(cè)器件 HFE 數(shù)據(jù)很大時(shí) (如達(dá)林頓管)，測(cè)試條件會(huì)有較大的偏差，進(jìn)而影響 HFE 數(shù)據(jù)的精度。而硬件閉環(huán)法采用硬件比較和反饋的原理，可以確保測(cè)試條件的準(zhǔn)確性，對(duì) HFE 有更高的測(cè)試精度。

d. 軟件閉環(huán)法由于實(shí)質(zhì)上是開環(huán)控制，從技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)，相對(duì)來說不易產(chǎn)生寄生振蕩。而硬件閉環(huán)法通常由多級(jí)放大器與被測(cè)器件共同構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，處理得不好容易產(chǎn)生寄生振蕩。

4. 硬件閉環(huán)法的實(shí)現(xiàn)

STS 2103A 半導(dǎo)體分立器件測(cè)試系統(tǒng)脈沖法測(cè)量線路的核心部分是一個(gè)高性能的 SM 2204E 模塊 (其測(cè)試 HFE 參數(shù)的簡(jiǎn)化原理圖見圖 6 )，該模塊用 14 塊運(yùn)算放大器，構(gòu)成兩個(gè)功能相同的四相限精密測(cè)量單元。每一測(cè)量單元都具有恒壓、恒流、測(cè)壓、測(cè)流的能力，并支持正、負(fù)極性的電壓和電流，以適應(yīng) NPN 和 PNP 器件的測(cè)試。高性能的運(yùn)算放大器和獨(dú)特的線路設(shè)計(jì)使精密測(cè)量單元具有良好的頻率性能，使之能夠滿足 300μS 脈沖測(cè)試要求，同時(shí)還能提供出幾十安培的大電流。模塊經(jīng)過精心的調(diào)試和補(bǔ)償，較好地解決了寄生振蕩的問題，使系統(tǒng)具有良好的測(cè)試適應(yīng)性，同時(shí)還全線實(shí)現(xiàn)了開爾文四端法測(cè)試，直至被測(cè)器件引腳，保證了大電流下的參數(shù)測(cè)試精度，因而使 STS 2103A 系統(tǒng)體現(xiàn)出良好脈沖測(cè)試性能和綜合特性。

四、 STS 2103A 半導(dǎo)體分立器件測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

STS 2103A 半導(dǎo)體分立器件測(cè)系統(tǒng)是北京華峰測(cè)控技術(shù)公司在消化國(guó)外系統(tǒng)和調(diào)研國(guó)內(nèi)用戶的需求和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)開發(fā)的智能化兩級(jí)分布式測(cè)試系統(tǒng)，是 STS 2100 系列電子元器件測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，公司擁有該產(chǎn)品的獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

系統(tǒng)主要適用于晶體管三極管 (NPN/PNP)、二極管 (整流、開關(guān)、檢波、穩(wěn)壓等)、VMOS (N 溝/P 溝)、結(jié)型埸效應(yīng)管、可控硅、光電耦合器及其它各類半導(dǎo)體分立器件。

系統(tǒng)在測(cè)試原理和方法上符合國(guó)標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)和行軍標(biāo)，對(duì)集電極-發(fā)射極飽和壓降 VCE sat、基極-發(fā)射極飽和壓降 VBE sat 和正向電流傳輸比 HFE 等參數(shù)采用硬件閉環(huán)的 300μS 脈沖測(cè)試 (脈沖占空比 2%)，故可有效抑制測(cè)試造成的器件芯片溫升，即使在上百瓦功率下進(jìn)行測(cè)試也不會(huì)造成器件發(fā)熱，從而確保測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和穩(wěn)定性，同時(shí)也保證了被測(cè)器件的安全。

系統(tǒng)全線采用開爾文電橋四端法進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，全部測(cè)試插座采用美國(guó) 3M 公司原裝進(jìn)口四端法測(cè)試插座，從而有效扣除了系統(tǒng)及接觸環(huán)節(jié)的接觸壓降，保證了大電流參數(shù)測(cè)試的真實(shí)性和精度。例如對(duì)于三極管飽和壓降參數(shù)的測(cè)試，對(duì)于 VMOS 器件導(dǎo)通電阻的測(cè)試，對(duì)于二極管 (特別是肖特基二極管) 正向壓降的測(cè)試，即便電流大到幾十安培，也具有同樣高的測(cè)試精度。

系統(tǒng)采用硬件閉環(huán)的脈沖工作方式測(cè)試 HFE 參數(shù)，但同時(shí)又具有良好的測(cè)試適應(yīng)性，從低頻管到高達(dá)幾千兆的超高頻管，從幾十毫瓦的小功率器件到幾百瓦的大功率器件，系統(tǒng)都具有良好的測(cè)試表現(xiàn)。

系統(tǒng)低壓測(cè)量單元具有 0.25% 的基本測(cè)試精度，這可以保證系統(tǒng)在測(cè)量 HFE參數(shù)時(shí)仍具有優(yōu)于 1% 的綜合精度，符合 GJB 128A-97 中對(duì)測(cè)量靜態(tài)參數(shù)的誤差《 1% 的要求。系統(tǒng)測(cè)量 HFE 參數(shù)的分辨力達(dá) 0.1，并具有良好的穩(wěn)定性，在測(cè)試時(shí)用手插拔器件造成器件外殼的微小溫升而導(dǎo)致器件 HFE 參數(shù)零點(diǎn)幾倍的微小變化，系統(tǒng)都能靈敏和穩(wěn)定地顯示出來。

系統(tǒng)在顯示測(cè)試數(shù)據(jù)的同時(shí)，還具有同屏顯示特性曲線的功能，這樣在屏幕上不僅可讀取精確的測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)可直觀看到器件的擊穿特性曲線和輸出特性曲線，這對(duì)于關(guān)心擊穿特性曲線形狀和輸出特性曲線均勻性的用戶尤為方便。

系統(tǒng)選用優(yōu)質(zhì)元器件和材料，采用數(shù)字模擬高壓電源技術(shù)、測(cè)流地線技術(shù)、等電位環(huán)技術(shù)、靜電屏蔽技術(shù)，軟件處理技術(shù)，采用懸空架線和三防處理等工藝，使系統(tǒng)具有良好的微弱信號(hào)檢測(cè)能力，即便在潮濕環(huán)境下仍可對(duì)納安量級(jí)電流進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試。

STS 2103A 半導(dǎo)體分立器件測(cè)試系統(tǒng)具有優(yōu)良的綜合性能，是保證半導(dǎo)體分立器件質(zhì)量的理想檢測(cè)手段。