一種MOS管自動功率老化測試系統(tǒng)的設(shè)計

楊修杰, 尹保來, 肖 鵬, 劉浩峰

(中國測試技術(shù)研究院，成都 610021)

0 引言

隨著科技的不斷進步，電子技術(shù)的應(yīng)用使智能化和自動化已成為我國人民日常生活的一部分。由于其應(yīng)用的廣泛性，使用過程中如果發(fā)生大面積故障將造成無法估計損失，其可靠性要求不斷提高。半導(dǎo)體器件作為電子設(shè)備的核心，其可靠性尤為重要。但是半導(dǎo)體器件制作工藝復(fù)雜性以及其壽命特點(浴盆失效概率)，很難從外觀上檢測其好壞[1]。特別是對于有大功率輸出的電子產(chǎn)品，功率器件在輸送功率的同時，器件本身也要消耗一部分功率，這部分功率直接表現(xiàn)在使器件溫度升高，當溫度升高到一定程度，就會使器件燒壞。器件的生產(chǎn)過程中涉及諸多環(huán)節(jié)，實際使用過程中在溫升作用下難免發(fā)生故障，因此在可靠性要求高的場合，應(yīng)該利用半導(dǎo)體器件的浴盆效應(yīng)，對驅(qū)動器件進行老化篩選，在產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)前針對半導(dǎo)體器件的功能及使用場景進行老化測試，評估其質(zhì)量，提前將有問題的器件篩選出來，提高電子產(chǎn)品的可靠性。針對MOS管類功率器件，設(shè)計了一套極限結(jié)溫自動老化測試系統(tǒng)，根據(jù)MOS管的結(jié)溫控制輸出電流的狀態(tài)，實現(xiàn)被試MOS管的可靠性測試[2]。

1 測試原理

1.1 老化方法選擇

功率器件工作過程中自身消耗的功率直接體現(xiàn)在產(chǎn)生熱量，升高結(jié)溫，如果器件內(nèi)部結(jié)溫與外部環(huán)境溫度存在溫差，熱量擴散到外部空間，傳遞過程會有阻力，定義為熱阻，熱阻與環(huán)境溫度、結(jié)溫、和耗散功率有關(guān)，具體為：

(1)

其中:RT為熱阻，單位為℃/W；Tjm為最高允許結(jié)溫；Ta為環(huán)境溫度；Pcm為環(huán)境溫度為Ta時，器件允許的最大耗散功率。

熱阻對功率器件的使用影響較大，熱阻越小，器件PN結(jié)所能承受的耗散功率越大，設(shè)計中一般需要對熱阻進行仔細計算。當功率器件殼體上裝有散熱片使用時，RT由三部分組成，RT=Rjc+Rcs+Rsa，Rjc為結(jié)殼間熱阻；Rcs為晶體管外殼與散熱器間的熱阻；Rsa為散熱器與環(huán)境間的熱阻，熱阻一般較小。當功率器件不裝散熱片使用時，RT=Rja，Rja為結(jié)與環(huán)境間的熱阻，一般較大。Rjc、Rcs和Rja在器件手冊中會給出[3]。

通常的器件老化方法的是采用穩(wěn)態(tài)工作壽命法，具體為使器件工作在一定環(huán)境溫度下，對其持續(xù)施加對應(yīng)的Pcm，試結(jié)溫到達Tjm。變換公式(1)為：

(2)

其中:RT對于特定器件手冊中一般會給出。以公式(2)為基礎(chǔ)計算老化參數(shù)，完成老化工作。另外研究表明，功率管達到某一累計失效概率F(t)的時間t和功率管結(jié)溫Tj的關(guān)系滿足方程[4]：

Ln(t) =A+B/Tj

(3)

式中,A，B為常數(shù)，Tj為結(jié)溫。由公式(3)可知，Tj與器件的壽命有直接的關(guān)系。所以依據(jù)公式(2)為基礎(chǔ)計算老化參數(shù)應(yīng)該是一種比較理想的老化方法，但是由于半導(dǎo)體器件的熱阻并非常數(shù)，器件手冊中給出的熱阻值是在一定條件下測試獲得，另外器件手冊給出的熱阻值一般會大于實際的熱阻值，通過公式(2)是無法準確計算出Tj，Tj是否在Tjm附近未知，無法實現(xiàn)在Tjm條件下對器件進行老化的目標，試驗方法存在一定的缺陷。針對該缺陷設(shè)計了一套新的老化方法，通過實時測量Tj，在一定的功率下運行，使Tj維持在Tjm附件，實現(xiàn)對受試MOS管的全面老化。

1.2 結(jié)溫測量

測量Tj比較直觀的方法是預(yù)置溫度傳感器直接測量法和紅外熱像法[5]。但是目前預(yù)置有溫度傳感器的成品器件幾乎沒有，直接測量無法實現(xiàn)；對于紅外熱像法，由于器件封裝材料具有一定的熱阻，紅外熱像法只能測量未封裝的器件，不能測量成品器件。為了能夠準確測量Tj，需要有新的測量Tj的方法[6-8]。試驗表明MOS管在導(dǎo)通狀態(tài)下，其導(dǎo)通電阻RDS(ON)與Tj存在一定的關(guān)系，Tj越高RDS(ON)越大。圖1為MOS管IRFB4019歸一化RDS(ON)與Tj的關(guān)系曲線，圖中可以看到在25～175 ℃范圍內(nèi)，兩者接近線性關(guān)系。對歸一化RDS(ON)與Tj關(guān)系線性化處理，通過測量RDS(ON)即可推斷Tj，老化過程中可以實時測量RDS(ON)，最終確保Tj盡量接近Tjm。

圖1 歸一化RDS(ON)與Tj關(guān)系曲線

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了節(jié)約能源，被試器件不加散熱器進行老化測試。自動老化測試系統(tǒng)由人機交互接口單元、電源系統(tǒng)和老化板三部分構(gòu)成。根據(jù)需要擴展老化板，實現(xiàn)多工位并聯(lián)測試，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MOS管老化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個系統(tǒng)的分工為：1)人機交互接口通過RS485總線與老化板進行通信，實現(xiàn)老化數(shù)據(jù)的下載和老化狀態(tài)的實時顯示；2)電源系統(tǒng)采用可調(diào)電源為老化板提供工作電源，根據(jù)受試器件確定電源參數(shù)；3)為了保證實時性，每一塊老化板可以按要求自主負責一個受試器件的老化工作，并將老化狀況實時傳輸?shù)饺藱C交互接口。

系統(tǒng)設(shè)計了兩種工作模式，一種模式為恒定功率老化模式，受試器件在一定的功率下工作，Tj一直處在Tjm附近，老化時長根據(jù)需要可任意設(shè)定；另一種模式為循環(huán)加熱老化模式，受試器件在一定的加熱功率下工作，當Tj達到Tjm附近時，停止加熱，切換到測量狀態(tài)，當Tj降溫到某一設(shè)定值時再次啟動加熱功率，循環(huán)次數(shù)根據(jù)需要可任意設(shè)定[9]。

2.2 硬件設(shè)計

老化板是測試系統(tǒng)硬件的設(shè)計重點，其關(guān)鍵是測量MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)RDS(ON)，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 老化板結(jié)構(gòu)框圖

當老化板處于恒定功率老化模式時，通過控制恒壓源(Vgs)，使受試器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，恒流源1輸出恒定電流通過受試器件“漏極—源極”，使其結(jié)溫升高，通過AD2測量VDS(“漏極—源極”間電壓)，計算結(jié)溫Tj，最終使Tj達到Tjm附近。采樣電阻測量IDS(流過受試器件“漏極—源極”電流)，AD1測量采樣電阻兩端的電壓，計算IDS，此時受試器件的耗散功率為P=VDS×IDS，處理器實時計算受試器件的耗散功率，防止由于老化參數(shù)設(shè)置錯誤或其它原因，燒壞受試器件[10]。

當老化板處于循環(huán)加熱老化模式時，加熱過程與恒定功率老化模式相同，不同之處在于當Tj達到Tjm附近時，將流過受試器件“漏極—源極”間的電流由恒流源1切換到恒流源2，恒流源2電流值設(shè)置較小，主要為實時測量Tj而設(shè)置，對受試器件結(jié)的加熱作用可以忽略不計。隨著受試器件結(jié)溫的下降，當達到設(shè)定值后再次切換至恒流源1，如此循環(huán)加熱完成受試器件的老化。

老化板上的處理器負責3項工作，1)計算受試器件的耗散功率及結(jié)溫，根據(jù)計算結(jié)果及工作模式設(shè)置，控制電流源的切換；2)計算老化過程中器件的狀態(tài)，當出現(xiàn)故障時，終止老化，并報警指示;3)通過RS485總線方式與人機交互接口進行通信。

2.3 軟件設(shè)計

老化測試系統(tǒng)運行在PC端的管理軟件較為簡單，主要負責人機交互工作和數(shù)據(jù)存儲，所有測量計算工作全部由老化板完成。軟件運行開啟后，當被試MOS管的老化參數(shù)已知時，選擇“老化模式”，直接將老化參數(shù)下載到老化板中，由老化板自主完成任務(wù)，并將老化情況實時顯示在PC端。當不知道被試MOS的老化參數(shù)時，選擇“標定模式”，按照標定流程測試老化參數(shù)，當獲得老化參數(shù)后，在“老化模式”下完成MOS的老化工作[11]。

3 工作流程

3.1 參數(shù)標定

MOS管種類眾多，不同的型號的管子具有不同的參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計具有一定的通用性，對于一個新的型號MOS管進行老化時，首先需要對老化參數(shù)進行標定，確定老化參數(shù)。老化參數(shù)標定可以在任意一塊老化板上完成，當標定工作完成后，將標定獲取的老化參數(shù)下載到老化板，老化板自行完成老化工作。對于已知老化參數(shù)的MOS管可以不進行標定工作，直接開始老化。

3.1.1 恒定功率老化模式參數(shù)標定

首先依據(jù)公式(2)，確定在老化環(huán)境溫度Ta下，當Tj達到Tjm時，MOS管結(jié)允許的最大耗散功率Pcm；其次依據(jù)已線性化處理的受試器件歸一化RDS(ON)與Tj的關(guān)系曲線確定結(jié)溫Tj為Tjm時的RDS(ON)，根據(jù)P=I2R初步確定恒定功率老化模式的加熱電流IH1。由于手冊中給出的熱阻具有一定的條件性，非常數(shù)，Pcm為估計值，由此得出的IH1與最終的老化電流IH必然存在一定的差異，需要不斷調(diào)試獲取最終老化條件。將IH1作為老化參數(shù)下載到標定樣件上，當達到穩(wěn)態(tài)后，觀察受試器件“漏極—源極”間的電阻值與Tj為Tjm時的RDS(ON)關(guān)系，適當調(diào)整加熱電流反復(fù)試驗，最終獲得老化加熱電流IH，使老化穩(wěn)態(tài)后，受試器件“漏極—源極”間的電阻值與Tj為Tjm時的RDS(ON)接近。

3.1.2 循環(huán)加熱老化模式參數(shù)標定

循環(huán)加熱老化模式的參數(shù)標定過程與恒定加熱老化模式基本相同，不同之處在于加熱電流可以在IH1基礎(chǔ)上有較大的增加，增加量的大小可以根據(jù)循環(huán)快慢確定，但IH的最大值不應(yīng)超過器件的安全工作電流。IH的最終值也需要反復(fù)試驗，明確截止加熱條件。

3.2 老化測試

老化測試主要由老化板根據(jù)運行在PC端的管理軟件下載的老化參數(shù)自主完成，老化板內(nèi)置MOS管失效判斷條件，當出現(xiàn)被老化MOS管在未完成老化的情況下已失效時，中斷有問題的受試器件的老化，并報警。管理軟件巡檢各老化板的運行數(shù)據(jù)并顯示，同時管理軟件具備終止老化權(quán)限。需要注意的是由于同一型號的MOS管的RDS(ON)存在一定的個體差異，如果對老化要求不高的情況下，可以引用手冊提供的典型RDS(ON)值計算所有受試器件的老化參數(shù)。當要求較高的情況時，需要對每個器件單獨參數(shù)標定。

4 試驗驗證

為了驗證老化測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以MOS管IRFB4019為老化對象。IRFB4019的手冊給出25 ℃時RDS(ON)典型值為80 mΩ，Rja為62 ℃/W，在不加散熱器的情況下，通過公式(2)計算得IRFB4019的最大允許耗散功率約為2.5 W。依據(jù)線性化處理的歸一化RDS(ON)與Tj的關(guān)系曲線，175 ℃時RDS(ON)約為236 mΩ。根據(jù)功率計算公式獲得對應(yīng)的加熱電流約為3.2 A。將3.2 A作為老化加熱電流，當結(jié)溫穩(wěn)定后測得RDS(ON)為137 mΩ，顯然在25 ℃環(huán)境溫度下3.2 A電流不能將IRFB4019加熱到最高結(jié)溫(175 ℃)，驗證了現(xiàn)有老化方法Tj不能達到Tjm的缺陷。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，將加熱電流調(diào)整到3.8 A后，當結(jié)溫穩(wěn)定時RDS(ON)在236 mΩ附近波動，接近175 ℃，符合老化需求。圖4為IRFB4019的參數(shù)標定曲線，標定結(jié)果可用于恒定功率老化模式下運行。

圖4 老化參數(shù)標定曲線

當測試系統(tǒng)處于循環(huán)加熱模式時，依據(jù)標定參數(shù)將加熱電流調(diào)整為5 A，VDS快速增大，老化板處理器經(jīng)過運算實時測得RDS(ON)，計算Tj，當RDS(ON)在236 mΩ附近時，表明Tj已接近Tjm，此時關(guān)閉恒流源1，開啟恒流源2，使其流過受試MOS管，實時測量Tj，當Tj接近設(shè)定值60 ℃時，再次開啟恒流源1，關(guān)閉恒流源2，進行加熱，如此循環(huán)完成老化工作。圖5為IRFB4019在循環(huán)加熱模式老化的3個循環(huán)運行曲線。每個循環(huán)時長約為8 min,其中加熱時長約為1 min,冷卻時長約為7 min。

圖5 循環(huán)加熱老練曲線

5 結(jié)束語

環(huán)境溫度對MOS管的最大允許耗散功率有較大的影響，自動老化系統(tǒng)要求所有老化工作需在一個相對恒定溫度的環(huán)境中完成，老化工作對氣溫環(huán)境要求較高。在沒有恒溫條件的環(huán)境中，難以保證系統(tǒng)運行參數(shù)正確，系統(tǒng)的使用靈活性不夠，下一步將研究變溫環(huán)境的老化方法，確保在沒有恒溫條件下，老化測試工作也能夠安全完成。