詳解半導(dǎo)體分立器件脈沖測試的必要性及相關(guān)要求

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

一、脈沖測試的必要性

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。在對這些器件進(jìn)行參數(shù)測試時，需要首先使被測試器件滿足參數(shù)測試規(guī)定的測試條件(即進(jìn)入規(guī)定的工作點(diǎn))，同時也要滿足規(guī)定的測試環(huán)境溫度，這樣所測的數(shù)據(jù)才有實(shí)際的意義。因?yàn)樗鶞y試的參數(shù)既是測試條件的函數(shù)，同時也是環(huán)境溫度的函數(shù)。例如三極管的放大倍數(shù) HFE 既是測試條件 IC 和 VCE 的函數(shù)，同時也對環(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。

但是除了測試條件和環(huán)境溫度會影響參數(shù)的測試外，有一點(diǎn)容易被人們忽視的是被測器件在測試條件下消耗的功率會對器件的芯片造成附加的溫升。附加溫升的大小取決于被測器件在規(guī)定測試條件下的耗散功率、該功率維持的時間 (即測試時間) 及被測器件的熱阻等幾方面因素。耗散功率越大、測試時間越長、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，這只有通過對器件熱阻的測試和研究，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。這時測試環(huán)境溫度 (尤其是低溫測試) 失去了實(shí)際的意義。

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

二、有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對脈沖測試的要求

由于器件芯片在參數(shù)測試時的附加溫升是耗散功率、器件熱阻和測試時間的復(fù)雜函數(shù)，很難用一個簡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，采用多長的測試時間才合理。為了統(tǒng)一測試要求，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了脈沖測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)在脈沖條件下測量靜態(tài)及動態(tài)參數(shù)時，為了避免在測量時由于器件發(fā)熱引起測量誤差，在詳細(xì)規(guī)范中應(yīng)規(guī)定下列條款 ：

a. 在測試規(guī)定中注明“脈沖測試”。

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

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

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

a. 測試中規(guī)定應(yīng)注明“脈沖測試”。

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

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

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

4. 國標(biāo) GB/T 6218-1996 (等效 IEC 747-7-3:1991) 在對脈沖法測試所作的注釋中規(guī)定 ：

如果采用脈沖法 ：

脈沖信號源的脈沖持續(xù)時間和占空比 (tp，δ)

優(yōu)選 ： tp = 300μS，δ≤2%。

5. 在晶體管國軍標(biāo)和行軍標(biāo)詳細(xì)規(guī)范 (或空白規(guī)范) 中一般對集電極-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。并在脈沖測試的條件的條款中明確規(guī)定 ：

脈沖測試條件應(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 脈沖測試，根據(jù)對各種半導(dǎo)體器件的熱阻的測試和研究，證明 300μS 脈沖測試的條件是經(jīng)典的，它可以保證在絕大多數(shù)情況下由于測試造成的器件芯片溫升可忽略不計(jì)。

三、實(shí)現(xiàn)脈沖測試的方法

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 VCE sat、VBE sat 和 HFE 等參數(shù)規(guī)定采用脈沖法測試，是因?yàn)閷ι鲜鰠?shù)進(jìn)行直流法測試時，器件會承受較大的耗散功率，進(jìn)而造成器件芯片升溫，影響測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性，測試時間過長甚至?xí)斐善骷膿p傷和損壞。

在不同的測試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)脈沖測試 (特別是 HFE 參數(shù)的測試) 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. 兩種測試方法的比較

根據(jù)對兩種方法測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)定的測試工作點(diǎn)，因此整個控制過程時間很長，不可能在 300μS 的時間內(nèi)穩(wěn)定測試條件并讀取數(shù)據(jù)，通常需要幾毫秒、幾十毫秒甚至更長的時間，所以不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，同時由于測試時間長導(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 時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)測試條件的穩(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，測試時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)被測器件 HFE 數(shù)據(jù)很大時 (如達(dá)林頓管)，測試條件會有較大的偏差，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，可以確保測試條件的準(zhǔn)確性，對 HFE 有更高的測試精度。

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)，相對來說不易產(chǎn)生寄生振蕩。而硬件閉環(huán)法通常由多級放大器與被測器件共同構(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)體分立器件測試系統(tǒng)脈沖法測量線路的核心部分是一個高性能的 SM 2204E 模塊 (其測試 HFE 參數(shù)的簡化原理圖見圖 6 )，該模塊用 14 塊運(yùn)算放大器，構(gòu)成兩個功能相同的四相限精密測量單元。每一測量單元都具有恒壓、恒流、測壓、測流的能力，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)使精密測量單元具有良好的頻率性能，使之能夠滿足 300μS 脈沖測試要求，同時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)具有良好的測試適應(yīng)性，同時還全線實(shí)現(xiàn)了開爾文四端法測試，直至被測器件引腳，保證了大電流下的參數(shù)測試精度，因而使 STS 2103A 系統(tǒng)體現(xiàn)出良好脈沖測試性能和綜合特性。

四、 STS 2103A 半導(dǎo)體分立器件測試系統(tǒng)簡介

STS 2103A 半導(dǎo)體分立器件測系統(tǒng)是北京華峰測控技術(shù)公司在消化國外系統(tǒng)和調(diào)研國內(nèi)用戶的需求和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)開發(fā)的智能化兩級分布式測試系統(tǒng)，是 STS 2100 系列電子元器件測試系統(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)在測試原理和方法上符合國標(biāo)、國軍標(biāo)和行軍標(biāo)，對集電極-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 脈沖測試 (脈沖占空比 2%)，故可有效抑制測試造成的器件芯片溫升，即使在上百瓦功率下進(jìn)行測試也不會造成器件發(fā)熱，從而確保測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和穩(wěn)定性，同時也保證了被測器件的安全。

系統(tǒng)全線采用開爾文電橋四端法進(jìn)行參數(shù)測試，全部測試插座采用美國 3M 公司原裝進(jìn)口四端法測試插座，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)測試的真實(shí)性和精度。例如對于三極管飽和壓降參數(shù)的測試，對于 VMOS 器件導(dǎo)通電阻的測試，對于二極管 (特別是肖特基二極管) 正向壓降的測試，即便電流大到幾十安培，也具有同樣高的測試精度。

系統(tǒng)采用硬件閉環(huán)的脈沖工作方式測試 HFE 參數(shù)，但同時又具有良好的測試適應(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)都具有良好的測試表現(xiàn)。

系統(tǒng)低壓測量單元具有 0.25% 的基本測試精度，這可以保證系統(tǒng)在測量 HFE參數(shù)時仍具有優(yōu)于 1% 的綜合精度，符合 GJB 128A-97 中對測量靜態(tài)參數(shù)的誤差《 1% 的要求。系統(tǒng)測量 HFE 參數(shù)的分辨力達(dá) 0.1，并具有良好的穩(wěn)定性，在測試時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)在顯示測試數(shù)據(jù)的同時，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試數(shù)據(jù)，同時可直觀看到器件的擊穿特性曲線和輸出特性曲線，這對于關(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檢測能力，即便在潮濕環(huán)境下仍可對納安量級電流進(jìn)行準(zhǔn)確測試。

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