IGBT(InSulate Gate Bipolar TranSiStor,絕緣柵雙極晶體管)目前已經(jīng)在各種電力電子變換裝置中得到了廣泛的應(yīng)用,成為中、大功率電力電子裝置的主導(dǎo)器件,不僅廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng),而且也廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)、交通運(yùn)輸、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和新能源系統(tǒng)。

IGBT 器件的縱向剖面結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

從剖面結(jié)構(gòu)來(lái)看,它可視為功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極型晶體管(BJT) 結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件, 其輸入極為MOSFET,輸出極為 PNP 晶體管。 因此,可以將其看作是 MOS 輸入的達(dá)林頓管。 其簡(jiǎn)化等效電路圖如圖 2所示。

由于其輸入極為 MOSFET, 輸出極為 PNP 晶體管,所以 IGBT 具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低、控制電路簡(jiǎn)單和承受電流大等特性。

由于其廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中, 使得 IGBT 器件經(jīng)常需要工作在高溫環(huán)境中,因此,器件在高溫環(huán)境下的高壓漏電流將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

同時(shí), 大功率 IGBT 模塊通常由多個(gè) IGBT 芯片并聯(lián)封裝而成。 因此倘若個(gè)別 IGBT 芯片在模塊進(jìn)行高溫測(cè)試時(shí)出現(xiàn)漏電失效的問(wèn)題,則會(huì)造成整只模塊的報(bào)廢,使得該模塊中其余正常芯片被報(bào)廢,連同相應(yīng)的封裝、測(cè)試成本損耗,從而形成極大的損失。

由此, 在芯片測(cè)試階段對(duì)芯片進(jìn)行高溫漏電測(cè)試,將極大地減少后端工藝的失效率,對(duì)提高產(chǎn)品成品率、降低生產(chǎn)成本具有重要的意義。

IGBT 高壓反向漏電流為發(fā)射極和柵極接地、集電極加高壓偏置時(shí)集電極上通過(guò)的電流。 為防止器件出現(xiàn)門鎖,IGBT 的寄生 PNP 晶體管的放大倍數(shù)被嚴(yán)格限制,使得 PNP 管的放大效應(yīng)可以被忽略。

由圖 1 可以看出, 器件的反向漏電流的大小由 P阱和 N 襯底構(gòu)成的 PN 結(jié)的反向漏電流確定。 其反向漏電流公式為:

反向漏電流由產(chǎn)生電流和擴(kuò)散電流兩部分構(gòu)成,室溫附近是產(chǎn)生電流起主導(dǎo)作用,而高溫區(qū)是擴(kuò)散電流起主導(dǎo)作用。

而擴(kuò)散電流隨溫度的變化主要由 exp [-Eg/(k0T)]決定,因此反向漏電流在高溫區(qū)將隨著溫度的升高而迅速增大。 由此可知確保測(cè)試溫度的準(zhǔn)確和穩(wěn)定對(duì)芯片的高溫漏電測(cè)試意義重大。

同時(shí),對(duì)于高電壓電子器件,在芯片測(cè)試時(shí)若器件處于通常的大氣環(huán)境中,由于測(cè)試針卡與基板間距離有限,在測(cè)試高壓參數(shù)的過(guò)程中,易發(fā)生空氣電離,進(jìn)而在針卡與基板形成導(dǎo)電通道,將嚴(yán)重影響測(cè)試的準(zhǔn)確性,情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐尚酒膿p傷。 在進(jìn)行2500 V 及以上電壓的測(cè)試時(shí),此類現(xiàn)象尤其明顯。

通過(guò)提高測(cè)試區(qū)域的大氣壓力,并采用干燥氮?dú)?N2),可以有效避免此類氣體放電現(xiàn)象的發(fā)生。因此需要對(duì)針卡進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。

圖 3 中,由①進(jìn)入的氮?dú)夥?/span>閉在由③、⑤、⑥、⑦形成的空腔內(nèi), 使得空腔內(nèi)的壓力達(dá)到數(shù)個(gè)大氣壓,同時(shí),在密閉環(huán)的底部設(shè)置有小孔,可形成高壓氣幕,避免因基板和密閉環(huán)接觸不夠緊密而漏氣,并進(jìn)而影響到空腔內(nèi)的壓力。

通過(guò)此類針卡雖然可以實(shí)現(xiàn)在高氣壓環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試, 但在進(jìn)行高溫漏電流測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了如圖 4 所示的分布特性。 每個(gè)批次的前幾只芯片漏電流明顯大于其他芯片,且隨著測(cè)試的進(jìn)行,漏電流逐漸變小并最終達(dá)到平衡。

經(jīng)分析,該現(xiàn)象是由于高壓氮?dú)獾牧?/span>動(dòng),使基板的表面溫度發(fā)生變化而引起。 當(dāng)剛開始測(cè)試時(shí),基板表面溫度較高,隨著測(cè)試到一定的時(shí)間,基板表面溫度逐漸降低,并最終達(dá)到平衡。 但由于設(shè)備中溫度傳感器放置位置的原因, 使得基板表面的溫度變化在設(shè)備上無(wú)法得到顯示,無(wú)法確定芯片的實(shí)際測(cè)試溫度。

為準(zhǔn)確得到芯片的實(shí)際結(jié)溫, 根據(jù) IGBT 芯片的器件特性,設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)分析, 并非所有 IGBT 芯片的靜態(tài)參數(shù)測(cè)試都需要施加高電壓。 當(dāng)進(jìn)行 Vgth 測(cè)試時(shí),VCE 僅需在 0~6 V之間進(jìn)行掃描。因此 Vgth 可在大氣環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。由半導(dǎo)體理論可知:

式(3)表明,閾值電壓隨著溫度的升高而下降。 由此可以測(cè)出在大氣環(huán)境下 Vgth 隨溫度變化的曲線,并加以擬合,再與標(biāo)準(zhǔn)高溫測(cè)試時(shí)的 Vgth 測(cè)試值相比較,即可得出相應(yīng)的溫度值。

通過(guò)對(duì)多批次測(cè)試數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)每個(gè)批次均在其測(cè)試的最初大約 10~15 只漏電流偏大,其后的芯片即可達(dá)到平衡。 由此可先行對(duì)整批 IGBT 芯片進(jìn)行高溫測(cè)試,再在溫度平衡區(qū)域內(nèi)選出若干芯片,采用不加氣壓的方式,在不同的溫度下只測(cè)試其 Vgth,為確保取樣的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)設(shè)定選取 15 只芯片,其按照標(biāo)準(zhǔn)高溫測(cè)試條件所得 Vgth 測(cè)試值如表 1 所示。

保持芯片的測(cè)試順序不變,在大氣環(huán)境下對(duì)相同的芯片在不同溫度下測(cè)試其 Vgth, 起始溫度為 60 ℃,測(cè)試溫度間隔為 30 ℃,為確保過(guò)程中芯片與基板達(dá)到熱平衡,每次測(cè)試前芯片需在基板上置放 90 s,以使芯片充分加熱。 測(cè)試結(jié)果如表 2 所示。

結(jié)合表 1 和表 2 可以看出, 不管是特定芯片還是所有芯片的平均值, 其標(biāo)準(zhǔn)高溫測(cè)試條件下的 Vgth 值均在大氣環(huán)境下的 120~150 ℃的測(cè)試值之間,且更接近 120 ℃的測(cè)試值。 為消除器件分布離散性和測(cè)試條件波動(dòng)的影響, 對(duì)大氣環(huán)境下測(cè)試值的平均值采用 2次回歸進(jìn)行曲線擬合,得出擬合曲線如圖 5 所示。

由此,得出 Vgth 與溫度關(guān)系的擬合方程:將標(biāo)準(zhǔn)高溫測(cè)試條件下的 Vgth 平均值 5.159 V 代入式(4),可得解 T=133 ℃。

測(cè)試 130 ℃下大氣環(huán)境中芯片的 Vgth, 如表 3 所示。比較表 1 和表 3, 發(fā)現(xiàn) 3、5、8、9、11、13、14、15 芯片,共有 8 只芯片兩次測(cè)試的數(shù)據(jù)相同,其余 7 只芯片表 3 數(shù)值略大于表 1, 考慮在連續(xù)測(cè)試下溫度為一動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),基板表面溫度出現(xiàn)一定的波動(dòng)為正常現(xiàn)象。 通過(guò)對(duì)不同芯片的單片測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,通過(guò)計(jì)算,可知基板表面溫度在 130~135 ℃之間波動(dòng)。

高壓 IGBT 芯片在進(jìn)行高溫靜態(tài)測(cè)試時(shí), 需置于高壓氮?dú)?/span>(N2)的保護(hù)下,以防止氣體電離而引發(fā)測(cè)試偏差甚至損傷器件。 但此種方式也帶來(lái)了芯片測(cè)試溫度發(fā)生改變的問(wèn)題。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 確定可以通過(guò)在大氣環(huán)境下對(duì)Vgth 進(jìn)行溫度曲線測(cè)試、 并將測(cè)試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)高溫測(cè)試時(shí)的 Vgth 進(jìn)行比較的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試溫度的校正。

芯片高溫測(cè)試溫度達(dá)到平衡時(shí), 基板溫度處于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài), 該狀態(tài)下不同芯片的測(cè)試溫度出現(xiàn)一定的波動(dòng)為正?，F(xiàn)象。 當(dāng)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)平均溫度為 133℃時(shí),該實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)的實(shí)際波動(dòng)范圍在 130~135℃之間。

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