CN107271878B - 通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法及装置，其在电源与待测试半导体器件电连接形成的回路导通时，待测试半导体器件内存在导通电流，从而能利用半导体器件自身的损耗加热半导体芯片，加热速度快；在加热过程中及时监测半导体器件的TSP参数，并利用TSP参数计算出待测半导体器件的结温，一旦结温足够接近测试目标温度Tj‑test时，利用高温特性测试系统能实现对待测试半导体器件的高温特性测试，测试耗时较小，效率高，非常适合大量样品的测试；测试精度很高；操作过程中不存在烫伤的可能性，提高测试的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试方法及装置，尤其是一种通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法及装置，属于半导体高温特性测试的技术领域。
背景技术
基于半导体材料如硅、锗或砷化镓等制造的半导体器件，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。具体包括二极管、双极型晶体管、场效应晶体管、光电探测器、发光二极管、半导体激光器和光电池等器件。
半导体器件的参数和性能在不同的温度条件下所表现出的特征。具体包括常温(25℃)特性，低温(低于25℃)特性和高温(高于25℃)特性。在半导体器件的研发、出厂测试及应用开发等环节，通常需要考察半导体器件的高温特性。
目前，对于半导体器件的高温特性测试方法主要有两种：1)、通过恒温加热台6加热半导体器件后进行测试；2)、通过高温恒温实验箱7加热半导体器件后进行测试。
如图1所示，为目前通过恒温加热台6加热半导体器件后，进行所需高温特性测试的方法，具体包括如下步骤：
1)、将待测半导体器件与恒温加热台6进行热连接，保证恒温加热台6的热量可以快速传导到待测半导体器件，其中，半导体器件包括半导体芯片3以及与所述半导体芯片3适配的器件外壳2，在器件外壳2上设置测试连接口4，半导体器件通过测试连接口4与高温特性测试系统1电连接，半导体器件与恒温加热台6的接触面形成热接触面5；
2)、将恒温加热台6设置为测试所需温度，一段时间后(典型值为20分钟左右)，恒温加热台6温度上升到测试所需温度附近并可以保持恒定。此时待测半导体器件与恒温加热台6达到热平衡，也就是说两者温度近似相同，这种情况下半导体3的结温也与恒温加热台6温度近似相同；
3)、高温特性测试系统1对待测半导体器件进行测试，以得到所述半导体器件在所需高温下的特性。
如图2所示，为目前通过高温恒温实验箱7加热半导体器件后，对半导体器件进行所需高温特性测试的示意图，具体包括如下步骤：
1)、将待测半导体器件放置在高温恒温实验箱7内部，高温特性测试系统1通常要放置在高温恒温实验箱7外部，当然也不排除将其放置在高温恒温实验箱7内部的情况；
2)、将高温恒温实验箱7设置为测试所需温度，一段时间后(典型值为1小时左右)，高温恒温实验箱7内部气体温度上升到测试所需温度附近并可以保持恒定。此时待测半导体器件与高温恒温实验箱7内部气体达到热平衡，也就是说两者温度近似相同，这种情况下半导体芯片3的结温也与高温恒温实验箱7内部气体温度近似相同。
上述两种对半导体器件的高温特性测试方法，主要存在不足：
1)、测试耗时太长，效率低，只适合少量样品的测试。
2)、测试精度不高。通常恒温加热台6有±3℃的控制误差，高温恒温实验箱7有±2℃的控制误差。如果精度要求更高的话加热装置的成本将会大幅提高。
3)、实验有一定的危险性。因为实验过程中产生了高温，操作过程中有可能出现烫伤。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法及装置，其测试效率高，损耗小，适合大量样品的测试，提高测试的精度以及可靠性和安全性。
按照本发明提供的技术方案，一种通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法，所述高温特性测试方法包括如下步骤：
步骤1、提供待测试的半导体器件、用于向半导体器件内注入加热电流的电源、用于对待测试半导体器件进行结温测试的结温测试系统以及用于测试半导体器件高温特性的高温特性测试系统，所述半导体器件能与高温特性测试系统、结温测试系统以及电源适配连接；
步骤2、校准上述待测试半导体器件的TSP参数与结温的关系曲线，并确定待测试半导体器件的测试目标温度Tj-test；
步骤3、控制电源与待测试半导体器件电连接，以使得电源向待测试半导体器件内输入电流；
步骤4、在对半导体器件通电所需时间后，利用结温测试系统测试所述半导体器件的TSP参数，并利用测试得到的TSP参数计算半导体器件当前的结温；
步骤5、若上述结温测试系统测试得到半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值大于预设阈值时，重复上述步骤4，直至半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值与预设阈值匹配，并执行步骤6；
步骤6、控制高温特性测试系统与待测试半导体器件的电连接，以利用高温特性测试系统测试半导体器件的高温特性。
所述待测试半导体器件为具有TSP参数的半导体器件，半导体器件的TSP参数包括PN结或肖特基结在恒定直流电流条件下的导通压降。
所述待测试半导体器件通过开关S1、开关S2、开关S3分别与高温特性测试系统、电源以及结温测试系统连接；
开关S1、开关S2以及开关S3与测试控制器连接，测试控制器能控制开关S1、开关S2以及开关S3的开关状态；开关S1闭合时，待测试半导体器件能与高温特性测试系统电连接；开关S2闭合时，待测试半导体器件与电源电连接；开关S3闭合时，待测试半导体器件与结温测试系统电连接。
所述电源为恒流源或恒压源，开关S1、开关S2、开关S3的类型包括IGBT、MOSFET或GTO。
一种通过电流加热半导体器件的高温特性测试装置，包括用于向半导体器件内注入加热电流的电源、用于对半导体器件进行结温测试的结温测试系统以及用于测试半导体器件高温特性的高温特性测试系统，高温特性测试系统、结温测试系统以及电源通过开关电路与待测试半导体器件电连接，所述开关电路、高温特性测试系统、结温测试系统以及电源均与测试控制器电连接，测试控制器通过开关电路的工作状态能控制待测试半导体器件与高温特性测试系统、结温测试系统和/或电源的电连接；
测试控制器控制电源与待测试半导体器件电连接，以使得电源向待测试半导体器件内输入电流；
在对半导体器件通电所需时间后，利用结温测试系统测试所述半导体器件的TSP参数，并利用测试得到的TSP参数计算半导体器件当前的结温；
若结温测试系统测试得到半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值大于预设阈值时，重复上述通电与测试过程，直至半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值与预设阈值匹配；
测试控制器控制高温特性测试系统与待测试半导体器件的电连接，以利用高温特性测试系统测试半导体器件的高温特性。
所述开关电路包括开关S1、开关S2以及开关S3，所述待测试半导体器件通过开关S1、开关S2、开关S3分别与高温特性测试系统、电源以及结温测试系统连接；
开关S1、开关S2以及开关S3与测试控制器连接，测试控制器能控制开关S1、开关S2以及开关S3的开关状态；开关S1闭合时，待测试半导体器件能与高温特性测试系统电连接；开关S2闭合时，待测试半导体器件与电源电连接；开关S3闭合时，待测试半导体器件与结温测试系统电连接。
所述电源为恒流源或恒压源，开关S1、开关S2、开关S3的类型包括IGBT、MOSFET或GTO。
所述测试控制器包括计算机。
本发明的优点：在电源与待测试半导体器件电连接形成的回路导通时，待测试半导体器件内存在导通电流，从而能利用半导体器件自身的损耗加热半导体芯片，加热速度快；在加热过程中及时监测半导体器件的TSP参数，并利用TSP参数计算出待测半导体器件的结温，一旦结温足够接近测试目标温度Tj-test时，利用高温特性测试系统能实现对待测试半导体器件的高温特性测试，即能在极短的时间内实现对待测半导体器件进行高温特性测试；测试耗时较小，效率高，非常适合大量样品的测试；由于可直接测得半导体器件结温，因此测试精度很高；在测试实验过程中，只有半导体器件内部半导体芯片被加热，器件外壳温升很小，操作过程中不存在烫伤的可能性，提高测试的安全性。
附图说明
图1为现有采用恒温加热台进行加热测试的示意图。
图2为现有采用高温恒温实验箱进行加热测试的示意图。
图3为本发明的示意图。
图4为本发明加热测试的示意图。
附图标记说明：1-高温特性测试系统、2-器件外壳、3-半导体芯片、4-测试连接口、5-热接触面、6-恒温加热台、7-高温恒温实验箱、8-结温测试系统、9-电源以及10-测试控制器。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图3和图4所示：为了能提高测试效率以及测试精度，确保测试的安全性，本发明的高温特性测试方法包括如下步骤：
步骤1、提供待测试的半导体器件、用于向半导体器件内注入加热电流的电源9、用于对待测试半导体器件进行结温测试的结温测试系统8以及用于测试半导体器件高温特性的高温特性测试系统1，所述半导体器件能与高温特性测试系统1、结温测试系统8以及电源9适配连接；
具体地，待测试半导体器件具有器件外壳2以及位于所述器件外壳2内的半导体芯片，为了能与高温特性测试系统1、结温测试系统8以及电源9适配点连接，还包括测试连接口4，所述测试连接口4位于器件外壳2上或设置于工装夹具上，利用测试连接口4能实现与高温特性测试系统1、结温测试系统8以及电源9的电连接，高温特性测试系统1以及测试连接口4均可以采用现有常用的结构形式，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
待测试半导体器件的高温特性具体是指相对于常温特性，通常是指半导体器件在高于常温条件下的特性，如IGBT器件通常需要测试其在最高结温条件下(根据器件不同有125℃，150℃或175℃)的静态及动态特性。高温特性测试是指在高于常温的特定温度下对半导体器件进行测试。TSP(Temperature SensitiveParameter，简称温敏参数)，是指半导体器件与温度相关的参数，根据这类参数的值可以反推出器件的温度。例如，PN结在小电流条件下的导通压降与温度呈线性关系，所在其导通压降可以作为PN结的TSP。
本发明实施例中，所述待测试半导体器件为具有TSP参数的半导体器件，半导体器件的TSP参数包括PN结或肖特基结在相应恒定直流电流条件下的导通压降。
具体实施时，为了能实现对待测试半导体器件的测试，所述待测试半导体器件通过开关S1、开关S2、开关S3分别与高温特性测试系统1、电源9以及结温测试系统8连接；
开关S1、开关S2以及开关S3与测试控制器10连接，测试控制器10能控制开关S1、开关S2以及开关S3的开关状态；开关S1闭合时，待测试半导体器件能与高温特性测试系统1电连接；开关S2闭合时，待测试半导体器件与电源9电连接；开关S3闭合时，待测试半导体器件与结温测试系统8电连接。
本发明实施例中，所述电源9为恒流源或恒压源，开关S1、开关S2、开关S3的类型包括IGBT、MOSFET或GTO等开关器件。测试控制器10可以采用常用的计算机，或采用其他微处理芯片，测试控制器10除了能控制开关S1、开关S2以及开关S3的开关状态，还能启动或关闭高温特性测试系统1、电源9以及结温测试系统8。
步骤2、校准上述待测试半导体器件的TSP参数与结温的关系曲线，并确定待测试半导体器件的测试目标温度Tj-test；
由半导体器件原理可知，小电流条件下PN结(或肖特基结)的导通压降与芯片结温呈线性关系。几乎所有的半导体器件内部都包含有PN结(或肖特基结)，因此，可以利用PN结(或肖特基结)在较小电流条件下的导通压降作为TSP典型的测试方法。
在确定利用导通压降作为TSP测试时，需要对待测试半导体器件的导通压降与结温曲线进行校准。本发明实施例中，半导体器件的导通压降与结温曲线的关系为：VF＝m×Tj+b，其中，VF为导通压降，Tj为结温，结温为半导体芯片中PN结的工作温度。半导体器件的导通压降与结温曲线可通过恒温加热台6或高温恒温实验箱7将半导体器件加热到所需温度后，向待测半导体器件的PN结注入一个恒定的小电流，然后测试PN结两端的电压，这样便得到了一组(VF，Tj)数据。由于VF和Tj为线性关系，理论上测试两个不同温度点的(VF，Tj)数据便可拟合得到m和b值。当然，为了提高测试精度，可以测试更多温度点的(VF，Tj)数据再通过最小二乘法拟合得到参数m和参数b值，具体拟合过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
具体实施时，建立待测半导体器件的PN结导通压降与结温之间的关系相对费时，但对成熟产品，同一产品不同器件间的参数m和参数b值一致性非常好。这样，测试少量半导体器件后便可获得可信的m和b值，并可以将其作为整个产品的m和b值。
在得到参数m以及参数b的数值后，即完成对待测半导体器件的导通压降与结温曲线的校准。在校准后确定待测试半导体器件的测试目标温度Tj-test。
步骤3、控制电源9与待测试半导体器件电连接，以使得电源9向待测试半导体器件内输入电流；
本发明实施例中，测试控制器10通过控制开关S2闭合，开关S1和S3断开，能使得电源9与待测试半导体器件电连接，在启动电源9后，电源9能向待测试半导体器件内输入电流，在半导体器件导通电流后，利用待测试半导体器件自身的损耗加热半导体芯片3，通常情况下，在导通电流的作用下，半导体器件会被快速加热(几秒之内)，即半导体器件的结温升高。
步骤4、在对半导体器件通电所需时间后，利用结温测试系统8测试所述半导体器件的TSP参数，并利用测试得到的TSP参数计算半导体器件当前的结温；
具体如图4所示，0-t1时间内，测试控制器10控制开关S1断开，开关S2闭合，开关S3断开，并控制电源9输出，此时电源9向待测半导体器件输入电流，待测半导体器件结温升高。
t1-t2时间内，测试控制器10控制开关S1断开，开关S2断开，开关S3闭合，测试控制器10控制结温测试系统8测试半导体器件的结温。结温测试系统8测试半导体器件结温的具体方法是：向待测半导体器件注入恒定电流，电流大小与校准导通压降与结温曲线所用的电流相同，在注入恒定电流后，测试半导体器件两端的压降，并通过已知的导通压降与结温曲线计算出结温。
具体实施时，电源9对待测试半导体器件加热时，也可以同时利用结温测试系统8进行结温测试，即电源9与结温测试系统8配合实现结温测试，结温测试系统8具体可以采用本技术领域常用的结构形式，只要能实现上述的测试过程即可，此处不再赘述。
步骤5、若上述结温测试系统测试得到半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值大于预设阈值时，重复上述步骤4，直至半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值与预设阈值匹配，并执行步骤6；
本发明实施例中，在0-t1时间以及t1-t2时间可以认为是一个周期，此时，待测半导体器件的结温升高但低于测试目标温度Tj-test，因此，需要重复上述步骤4的过程并与测试目标温度Tj-test进行比较。
预设阈值的大小可以根据需要进行设定，一般为±1℃，当半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值与预设阈值匹配，需要立即利用高温特性测试系统1对所述待测半导体器件进行测试。
步骤6、控制高温特性测试系统1与待测试半导体器件的电连接，以利用高温特性测试系统1测试半导体器件的高温特性。
具体实施时，测试控制器10通过使得开关S1关闭，开关S2以及开关S3断开，即使得高温特性测试系统1对待测试半导体器件进行高温特性测试，高温特性测试系统1具体测试半导体器件高温特性的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
根据上述说明，本发明的高温特性测试装置，具体包括用于向半导体器件内注入加热电流的电源9、用于对半导体器件进行结温测试的结温测试系统8以及用于半导体器件高温特性的高温特性测试系统1，高温特性测试系统1、结温测试系统8以及电源9通过开关电路与待测试半导体器件电连接，所述开关电路、高温特性测试系统1、结温测试系统8以及电源9均与测试控制器10电连接，测试控制器10通过开关电路的工作状态能控制高温特性测试系统1、结温测试系统8和/或电源9与待测试半导体器件的电连接；
本发明实施例中，所述开关电路包括开关S1、开关S2以及开关S3，所述待测试半导体器件通过开关S1、开关S2、开关S3分别与高温特性测试系统1、电源9以及结温测试系统8连接；
开关S1、开关S2以及开关S3与测试控制器10连接，测试控制器10能控制开关S1、开关S2以及开关S3的开关状态；开关S1闭合时，待测试半导体器件能与高温特性测试系统1电连接；开关S2闭合时，待测试半导体器件与电源9电连接；开关S3闭合时，待测试半导体器件与结温测试系统8电连接。
高温特性测试系统1、结温测试系统8、电源9以及测试控制器10具体的工作过程可以参考上述说明过程，此处不再赘述。
本发明在电源9与待测试半导体器件电连接形成的回路导通时，待测试半导体器件内存在导通电流，从而能利用半导体器件自身的损耗加热半导体芯片3，加热速度快；在加热过程中及时监测半导体器件的TSP参数，并利用TSP参数计算出待测半导体器件的结温，一旦结温足够接近测试目标温度Tj-test时，利用高温特性测试系统1能实现对待测试半导体器件的高温特性测试，即能在极短的时间内实现对待测半导体器件进行高温特性测试；测试耗时较小，效率高，非常适合大量样品的测试；由于可直接测得半导体器件结温，因此测试精度很高；在测试实验过程中，只有半导体器件内部半导体芯片3被加热，器件外壳2温升很小，操作过程中不存在烫伤的可能性，提高测试的安全性。
Claims (8)
1.一种通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法，其特征是，所述高温特性测试方法包括如下步骤：
步骤1、提供待测试的半导体器件、用于向半导体器件内注入加热电流的电源(9)、用于对待测试半导体器件进行结温测试的结温测试系统(8)以及用于测试半导体器件高温特性的高温特性测试系统(1)，所述半导体器件能与高温特性测试系统(1)、结温测试系统(8)以及电源(9)适配连接；
步骤2、校准上述待测试半导体器件的温敏参数TSP与结温的关系曲线，并确定待测试半导体器件的测试目标温度Tj-test；
步骤3、控制电源(9)与待测试半导体器件电连接，以使得电源(9)向待测试半导体器件内输入电流；
步骤4、在对半导体器件通电所需时间后，利用结温测试系统(8)测试所述半导体器件的温敏参数TSP，并利用测试得到的温敏参数TSP计算半导体器件当前的结温；
步骤5、若上述结温测试系统测试得到半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值大于预设阈值时，重复上述步骤4，直至半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值与预设阈值匹配，并执行步骤6；
步骤6、控制高温特性测试系统(1)与待测试半导体器件的电连接，以利用高温特性测试系统(1)测试半导体器件的高温特性。
2.根据权利要求1所述的通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法，其特征是：所述待测试半导体器件为具有温敏参数TSP的半导体器件，半导体器件的温敏参数TSP包括PN结或肖特基结在恒定直流电流条件下的导通压降。
3.根据权利要求1所述的通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法，其特征是：所述待测试半导体器件通过开关S1、开关S2、开关S3分别与高温特性测试系统(1)、电源(9)以及结温测试系统(8)连接；
开关S1、开关S2以及开关S3与测试控制器(10)连接，测试控制器(10)能控制开关S1、开关S2以及开关S3的开关状态；开关S1闭合时，待测试半导体器件能与高温特性测试系统(1)电连接；开关S2闭合时，待测试半导体器件与电源(9)电连接；开关S3闭合时，待测试半导体器件与结温测试系统(8)电连接。
4.根据权利要求3所述的通过电流加热半导体器件的高温特性测试方法，其特征是：所述电源(9)为恒流源或恒压源，开关S1、开关S2、开关S3的类型包括IGBT、MOSFET或GTO。
5.一种通过电流加热半导体器件的高温特性测试装置，其特征是：包括用于向半导体器件内注入加热电流的电源(9)、用于对半导体器件进行结温测试的结温测试系统(8)以及用于测试半导体器件高温特性的高温特性测试系统(1)，高温特性测试系统(1)、结温测试系统(8)以及电源(9)通过开关电路与待测试半导体器件电连接，所述开关电路、高温特性测试系统(1)、结温测试系统(8)以及电源(9)均与测试控制器(10)电连接，测试控制器(10)通过开关电路的工作状态能控制待测试半导体器件与高温特性测试系统(1)、结温测试系统(8)和/或电源(9)的电连接；
测试控制器(10)控制电源(9)与待测试半导体器件电连接，以使得电源(9)向待测试半导体器件内输入电流；
在对半导体器件通电所需时间后，利用结温测试系统(8)测试所述半导体器件的温敏参数TSP，并利用测试得到的温敏参数TSP计算半导体器件当前的结温；
若结温测试系统测试(8)得到半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值大于预设阈值时，重复上述通电与测试过程，直至半导体器件的结温与测试目标温度Tj-test间的差值与预设阈值匹配；
测试控制器(10)控制高温特性测试系统(1)与待测试半导体器件的电连接，以利用高温特性测试系统(1)测试半导体器件的高温特性。
6.根据权利要求5所述通过电流加热半导体器件的高温特性测试装置，其特征是：所述开关电路包括开关S1、开关S2以及开关S3，所述待测试半导体器件通过开关S1、开关S2、开关S3分别与高温特性测试系统(1)、电源(2)以及结温测试系统(8)连接；
开关S1、开关S2以及开关S3与测试控制器(10)连接，测试控制器(10)能控制开关S1、开关S2以及开关S3的开关状态；开关S1闭合时，待测试半导体器件能与高温特性测试系统(1)电连接；开关S2闭合时，待测试半导体器件与电源(9)电连接；开关S3闭合时，待测试半导体器件与结温测试系统(8)电连接。
7.根据权利要求6所述通过电流加热半导体器件的高温特性测试装置，其特征是：所述电源(9)为恒流源或恒压源，开关S1、开关S2、开关S3的类型包括IGBT、MOSFET或GTO。
8.根据权利要求5所述通过电流加热半导体器件的高温特性测试装置，其特征是：所述测试控制器(10)包括计算机。
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