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测试技术

大功率器件测试

解决方案

大功率器件测试

1.技术背景


功率器件是电子元件和电子器件的总称,是电子装置中,电能转换与电路控制的核心,它利用半导体单向导电的特性改变电子装置中电压、频率、相位,在电路中主要起着功率转换、功率放大、功率开关、线路保护、逆变(直流转交流)和整流(交流转直流)等功能。而大功率器件一般是指电压等级在1200V以上,电流在300A以上,输出功率比较大的电子元器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件,其中晶闸管为半控型器件,承受电压和电流容量在所有器件中最高;电力二极管为不可控器件,结构和原理简单,工作可靠;还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件,其中GTO、GTR为电流驱动型器件,IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

功率半导体被广泛应用于新能源(风电、光伏、电动汽车)、消费电子、智能电网、轨道交通等行业领域。IGBT和MOSFET作为主要的电力电子器件,在计算机、通讯、等领域被广泛应用。以氮化镓(GaN) 为核心的射频半导体,支撑着5G基站及工业互联网系统的建设;以碳化硅(SiC)以及IGBT为核心的功率半导体,支撑着新能源汽车、充电桩、基站/数据中心电源、特高压以及轨道交通系统的建设。



1.需求与挑战


在功率半导体的市场空间的稳步增长推动下,半导体性能要求不断提高,如何保证选用的高速功率器件并在高温、强辐射、大功率环境下能稳定可靠的运行,这给设计工程师带来了非常大的测试挑战,尤其是使用如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的先进材料制成的器件,通常这些新型器件的测试要求更高的电压和功率水平,更快的开关时间以及从晶圆级到封装器件的完整测试。我们需要了解功率器件的动态特性:高功率分离式元件(例如功率电晶体、功率二极体、闸流体等且元件方向性为垂直/横向者)或高功率放大器之电性量测皆属高功率元件测试。以500V(高电压)以上及/或1A(高电流)以上之脉冲或直流电进行量测。

高功率元件的晶圆特性描述应用面临以下挑战:晶圆载台至晶圆背面之接触电阻对测试参数的影响,高电流元件金属垫层烧坏毁损在高电压及低温或高温情况下漏电流会升高,如何进行低漏电流量测,如何防止空气在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间的贯穿性放电。同时空气被加热,温度急剧上升产生电弧打火现象,在高压与高低温情况下,如何保证操作人员的误触安全环境



3.解决方案
  • 设备配置

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  • 测试对象

    **半导体样品:GaN

  • 测试精度

    针座移动精度0.6um,卡盘漏流≤100fA,卡盘与显微镜XYZ移动精度为0.1um,耐压3K-10KV,耐温200℃。

  • 测试过程


    1. 手动上片:软件操控将卡盘移出,手动将晶圆放置卡盘,打开吸附开关吸附晶圆后将卡盘移至腔体,操控卡盘移回原位。

    2. 软件控制操控电机移动卡盘与显微镜上下移动,直至可初步看清晶圆表面,可使用自动聚焦功能快速聚焦表面。

    3. 使用自动拉直功能调整晶圆旋转直至水平。

    4. 使用高压夹具与三轴探针,精确扎在相应PAD上。
    5. 检查探针与PAD接触情况、测试仪的连接情况,在扎针处滴上氟油防止高压打火后施加电信号进行测试。

  • 测试亮点


    1. 卡盘与显微镜均由软件操控电机移动,移动精度为0.1um

    2. 内置3 zoom多视野、三倍率同焦光路系统,大小多视场同时显示,极其便捷的点针体验。

    3. 使用高压卡盘,高压夹具与分流探针可承载功率测试时大电压,大电流情况。

    4. 内置一体化高性能震动隔离平台,外置隔离栏,避免操作人员造成的震动,迅捷的震动恢复时间<1s,可提供测试所需的高稳定性环境。

    5. 红外光幕可不断检测,在高压测试时误靠近高压部分立即停止程序运行,保护人员安全。

  • 测试结果







  • 测试现场

    水平器件测试(垂直器件可使用卡盘背电极进行测试)


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