功率半导体性能表征的关键技术研究与应用分析

引言

全球能源结构的变革深刻影响着电力电子产业的发展，以IGBT为代表的功率半导体器件是电力电子设备能源转换与传输的关键，在新能源汽车、光伏储能、轨道交通等多个关键产业广泛应用。随着电力电子设备在多重非平稳工况下的大量投用，可靠性问题日益突出，功率半导体器件的性能表征成为行业的研究热点。
 
一、功率半导体应用现状

随着新能源汽车800V高压快充技术的兴起，SiC凭借其高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及高键合能等一系列显著优势，成为功率半导体产业竞相追逐的“风口”。在实际应用中，搭载碳化硅功率器件的高压系统通常能够在短短十多分钟内将电池电量从10%快速充至80%。然而，SiC功率器件在运行时会承受复杂的电-磁-热-机械应力，其电压电流能力的提升，开关速度和功率密度的提升，对器件的性能和可靠性提出了更高的要求。

         功率半导体器件在使用过程中可能会因为多重因素导致失效，而这些不同因素所引发的失效形式也各不相同。因此，对失效机理进行深入分析以及准确辨识缺陷，是提高器件性能的重要前提。
 

功率半导体性能表征测试挑战

功率半导体的性能表征，最早主要以测试二极管和三极管等分立器件的DC参数为主。MOSFET和SiC、GaN 出现后，测试技术研究的重点放在 GaN HEMT、SiC MOS、IGBT单管、PIM（即IGBT模组）等类型的产品上。根据测试条件不同，功率器件被测参数可分为两大类：静态特性测试和动态特性测试。静态特性测试主要是表征器件本征特性指标，如击穿电压V(BR)DSS、漏电流ICES/IDSS/IGES/IGSS、阈值电压VGS(th)、跨导Gfs、二极管压降VF、导通内阻RDS(on)等；动态参数是指器件开关过程中的相关参数，这些参数会随着开关条件如母线电压、工作电流和驱动电阻等因素的改变而变化，如开关特性参数、体二极管反向恢复特性参数及栅极电荷特性参数等，主要采用双脉冲测试进行。
 
静态参数是动态指标的前提，目前功率半导体器件的静态特性主要是依据半导体器件公司提供的Datasheet来进行测试。然而，功率半导体器件常被应用于高速开通及关断工作状态下，器件绝大部分失效机理都发生在动态变化过程中，因此动、静态参数的测试对功率半导体器件都很重要。此外，以SiC为代表的第三代半导体器件耐压等级更高，且经过串/并联应用于更高电压/功率等级的装备，对制造过程各阶段的测试要求也提出了新的挑战：

1、静态测试高电流电压等级与阈值电压漂移

随着功率半导体器件（如MOSFET、IGBT、SiC MOS）规格的不断提升，静态测试中的电流电压等级要求也越来越高，要求测试系统必须能够稳定、准确地提供和测量高电压和大电流。同时还需要在测试过程中减少施加应力的时间，以防止器件过热损坏。此外，SiC阈值电压漂移是功率器件测试过程中常见的问题，阈值电压漂移会对功率器件的开关特性产生影响，可能会引起器件的误导通，从而导致器件的损坏。

图：JEDEC JEP183、CASAS中Sic VGS(th)的测试标准

2、动态测试寄生电感与寄生电容的影响及测试设备要求

在功率半导体器件的动态测试过程中，寄生电感和寄生电容对测试结果影响巨大。寄生电感主要来源于PCB连接线以及器件封装，而功率器件的电流变化率大，使寄生电感对测试结果也会产生影响。同时，双脉冲测试电路中除了器件的结电容外，续流二极管和负载电感上均存在寄生电容，这两个寄生电容对器件的开通过程有明显影响。此外，功率器件的开关速度高，要求测试设备具有较高的带宽以准确采集开关波形的上升沿和下降沿。
 
3、全测试流程节点增加
对于PIM和IPM等功率模块，实际是由单管组合的，单管的良率和质量将直接影响模块的成本和质量，为降低模块的封装和制造成本，业内已经考虑增加测试节点和测试左移，从 CP+FT 测试，变为 CP + KGD + DBC + FT测试。

图：功率半导体器件测试流程节点

普赛斯功率半导体一站式测试解决方案

为应对行业对功率半导体器件的测试需求，普赛斯仪表以核心源表为基础，正向设计、精益打造了一站式高精密电压-电流的功率半导体电性能测试解决方案，广泛适用于从实验室到小批量、大批量产线的全方位应用。设备具有高精度与大范围测试能力（10kV/6000A）、多元化测试功能(直流IV/脉冲IV/CV/跨导）、高低温测试能力（-55℃~250℃），满足功率半导体行业对测试能力、精度、速度及稳定性的高要求。

图：PMST功率器件静态参数测试系统

图：PSS TEST静态高低温半自动测试系统
 

图：PMST-MP 静态参数半自动化测试系统
 

图：PMST-AP 静态参数全自动化测试系统

 
 
精准始于源头。普赛斯仪表作为率先自主研发、国内首家将高精密源/测量单元SMU产业化的企业，经过长期深入的研发应用，已经完全掌握了源测量单元的逻辑与算法，确保测试结果的准确性与可靠性。PMST功率器件静态测试系统系列产品采用模块化的设计结构，集成自主研发的高压测试单元、大电流测试单元、小功率测试单元，为用户后续灵活添加或升级测量模块以适应不断变化的测量需求，提供了极大便捷和最优性价比，具有高度易用性和可扩展性，任何工程师都能快速掌握并使用。
 
01大电流输出响应快，无过冲

自主研发的高效能脉冲式大电流源，其输出建立过程响应迅速，且无过冲现象。在测试环节，大电流的典型上升时间仅为15μs，脉冲宽度可在50~500μs之间灵活调整。采用此种脉冲大电流测试方法，能够显著降低因器件自身发热所引发的误差，确保测试结果的精确性与可靠性。



02高压测试支持恒压限流，恒流限压模式

自主研发的高性能高压源，其输出建立与断开反应迅速，且无过冲现象。在进行击穿电压测试时，可灵活设定电流限制或电压限值，以确保设备不因过压或过流而受损，有效保护器件的安全性和稳定性。


 
此外，应用端的多样化导致功率半导体厂商需要根据实际需求进行定制化封装，封装形式的多样性亦给测试工作带来不小的挑战，普赛斯仪表可提供多样化、精细化、定制化的夹具解决方案，旨在全面满足从基础功率二极管、MOSFET、BJT、IGBT到宽禁带半导体SiC、GaN等晶圆、芯片、器件及模块的电性能表征和测试需求。同时，普赛斯仪表与上下游企业进行紧密合作，共同推动功率器件测试产品线的完善，帮助半导体企业提高测试效率以及产线UPH。

 
结语
目前，普赛斯仪表功率器件静态参数测试系统已经销往全国并出口海外，被国内外多家半导体头部企业认可。我们坚信，通过持续的技术研发与国际合作，秉持创新引领、质量为先的理念，不断突破技术壁垒，优化产品性能，未来普赛斯仪表将为全球客户提供更加精准、高效、可靠的功率半导体测试解决方案。