如何克服裸芯片動態(tài)特性表征中的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高效測量?

功率半導體器件以多種形式使用——封裝為表面貼裝器件(SMD)或功率模塊——廣泛應用于各種場景。功率半導體中包含的裸芯片必須在被放入封裝或功率模塊之前進行特性表征，以加速開發(fā)。然而，裸芯片的尺寸小、結構脆弱，以及探針引起的寄生效應，使得這一過程面臨多重挑戰(zhàn)。

功率半導體器件最初在晶圓上制造，之后進行切割和封裝，才能用于實際的電力電子電路。在制造過程的早期階段進行特性表征，有助于加速器件的開發(fā)。對于功率模塊開發(fā)工程師來說，了解功率半導體裸芯片的行為，有助于加快開發(fā)進程并輔助故障排查。

功率半導體裸芯片動態(tài)特性表征的挑戰(zhàn)

功率半導體裸芯片的靜態(tài)特性表征相對簡單。芯片被牢固地固定在電導性臺上以進行漏極接觸，而源極和柵極則通過探針從芯片的頂部探測。與固定裝置相關的寄生效應不會顯著影響測量性能?？梢允褂们€追蹤儀或阻抗分析儀進行靜態(tài)特性表征。

然而，功率半導體裸芯片的動態(tài)特性表征極為困難。首先，測試電路中的寄生效應會顯著降低動態(tài)特性表征的性能，尤其是對于寬帶隙功率半導體，其速度非?？?。例如，探針針頭引入額外的寄生效應，導致振蕩和尖峰，從而使測量波形失真。這些探針針頭在高電壓信號下測試時還可能引發(fā)電弧。

SiC MOSFET、垂直GaN器件、Si MOSFET和IGBT具有垂直的器件結構，電流從芯片的頂部流向底部。這使得從上下兩側探測芯片變得極為困難。因此，必須對芯片的一側進行焊接。然而，將芯片焊接和拆焊到印刷電路板(PCA)上既不方便，又加速了電路板的磨損，這使得測試變得不理想。

裸芯片在物理上非常脆弱。在固定過程中不平衡的力可能輕易導致芯片開裂或崩缺。此外，芯片的尺寸通常小于5mm，處理起來更為困難。此外，由于測試信號的快速di/dt(電流變化率)引起的電壓浪涌，加上周圍寄生電感，裸芯片可能會破損。

目前用于表征裸芯片的唯一方法是為該芯片創(chuàng)建一個完整的雙脈沖測試(DPT)電路板。該電路板包括集成的PCA，配有柵極驅動器、銀行電容、隔離組件及其他必要元件。芯片焊接在PCA的漏極側，采用線焊接連接源極和柵極。通常情況下，芯片會涂上一層絕緣材料。

然而，這種設置僅在芯片特性表征時使用一次，因為PCB無法重復使用。相關的成本、時間、精力以及缺乏可重復使用性，使得工程師不愿頻繁使用。

促進裸芯片動態(tài)特性表征的技術

實現(xiàn)裸芯片動態(tài)特性表征需要一些關鍵技術和方法。為裸芯片創(chuàng)建一個特殊夾具是解決方案中最重要的方面。這個特殊夾具必須滿足以下要求：

· 不使用探針，以避免額外的寄生效應和電弧風險

· 夾具必須與裸芯片的垂直結構接觸

· 與裸芯片的接觸必須足夠緊密，以確保電導，但又不能太緊，以避免物理開裂或崩缺

· 無需焊接的接觸

· 一種對準小型裸芯片與測試夾具電極的機制

· 最小化測試夾具中的寄生效應(例如，<幾個nH)

· 夾具應具備高電壓和大電流能力(例如，600V和40A)

· 輕柔處理裸芯片以避免物理損傷

下面描述的解決方案利用了新開發(fā)的技術進行芯片動態(tài)測試，并實現(xiàn)了針對離散器件的雙脈沖測試器。被測設備(DUT)電路板相對簡單，如圖2所示。相同的技術也可以應用于功率模塊的雙脈沖測試器，使功率模塊工程師能夠利用這一新方案對裸芯片和功率模塊進行特性表征。

在DUT電路板上，對PCB的電極進行特殊處理，以實現(xiàn)無焊接接觸。還使用了一種具有類似電極處理的柔性PCB進行頂部連接。通過將芯片放置在主PCB和柔性PCB之間，可以實現(xiàn)從芯片頂部到底部的電流流動，從而為垂直結構器件提供電流測量。

PCB設計旨在最小化功率環(huán)路和柵環(huán)路中的寄生電感。夾具具有精心設計的多個引腳，從PCA突出，以確保裸芯片準確對齊，從而與電極實現(xiàn)最佳接觸。沒有探針的存在進一步減少了測試電路中的寄生電感。

對于Si和SiC器件，可以使用同軸分流電阻，即使其額外插入電感在幾個納亨里(nH)的范圍內。對于GaN(氮化鎵)裸芯片，專利電流傳感器提供了另一個減少寄生電感的手段。功率半導體裸芯片通常顯示出不同的形狀因素。因此，我們的策略是為Keysight PD1500A和PD1550A創(chuàng)建定制的DUT電路板，如圖3所示。

圖4顯示了對額定1.2 kV的SiC MOSFET裸芯片進行的示例測量結果。測試在800 V和40 A下進行，表明夾具為1.2 kV額定的SiC MOSFET提供了足夠的電壓和電流能力。波形非常干凈，關斷時只有小幅度的Vds超調。從開通波形計算出的功率環(huán)路電感僅為8.3 nH。

裸芯片夾具可以輕松與曲線追蹤儀配合使用，消除了對裸芯片靜態(tài)測量中晶圓探針的需求，極大地提高了生產力。

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