基于图示仪的晶体管检测方法研究

杨继云 邵 兵

(92941部队 葫芦岛 125001)

基于图示仪的晶体管检测方法研究

杨继云 邵 兵

(92941部队 葫芦岛 125001)

针对传统直流脉冲测试方法不能发现二极管存在软击穿缺陷的问题,提出一种基于图示仪的整流二极管软击穿缺陷检测方法。首先分析了导致二极管存在软击穿缺陷的因素,其次通过对工程实际中某型三相整流模块失效分析,发现采用图示仪扫描反向耐压曲线能够检测有软击穿缺陷的整流二极管,最后通过实际使用验证,该方法有效可行。

二极管; 击穿; 图示仪; 检测

Class Number TM932

1 引言

随着科技的发展,晶体管的应用越来越广泛,尤其是二极管的使用随着微电路的广泛应用越来越普遍。在二极管的生产和使用过程中,如何发现不合格品是各类工程技术人员需要直接面对的问题。

目前,传统的检测方法有直流脉冲测试等方法。在工程实际中发现,通过传统的直流脉冲测试方法检测是合格品,交付使用一定时间后存在失效的故障。通过深入分析整流二极管的工作原理和失效机理发现[1],存在软击穿缺陷的整流二极管在长期使用中会发生失效故障[2]。

本文针对上述现象,提出了一种基于图示仪扫描反向耐压曲线的检测方法。该方法通过测试特定反向击穿电压下,漏电电流的大小来区分有无软击穿缺陷。该方法能够快速准确地检测出存在软击穿缺陷的整流二极管。

2 理论

在实际使用中,整流二极管通常要通过较大的电流。当在PN结上加正弦交变电压时,在PN结上会有一定的功率消耗[3],具体可分为:在电压正半周时,整流电流会引起功率消耗；在电压负半周时,反向漏电流会引起功率消耗[4]。整流二极管的总功率消耗为两者之和。

一般情况下,反向漏电流很小,反向漏电流引起的功率消耗可以忽略不计。但是,当PN结存在工艺缺陷时,反向漏电流引起的功率消耗在结温或环境温度比较高时,这种功率消耗所产生的温升很高,从而导致击穿失效[5]。通常情况下,反向漏电流异常的主要原因有:

1) 在整流二极管芯片的制造过程中,表面PN结受沾污。这与制造环境洁净度和生产过程中的清洗有关,尤其是清洗方法和时间以及水的纯度是关键。

2) 表面PN结钝化保护不良。这与钝化层材料选择、保护层是否含有杂质有关。

3) 扩散工艺过程中,发生重金属沾污。随着半导体工艺技术的进步,重金属沾污已经不是影响二极管质量主要问题。

这些工艺缺陷都会造成整流二极管的反向漏电流过大,它不但直接影响产品的成品率[6],也是影响产品使用可靠性的主要因素。

PN结受到沾污的二极管等同于一个合格二极管并联了一个电阻。

外界沾污对高反压二极管更敏感,由于更容易形成反型层,共阳极所用芯片在制造过程中,受外部环境污染的影响更大[7]。

随着制造水平的提高,半导体二极管成品率及可靠性越来越高,但也要通过严格的测试和筛选剔除早期失效以及存在长期可靠性隐患的特别产品[8]。

某型三相整流模块等效电路图如图1所示,其中整流管D1、D2、D3共阴极,正向电流IFM为41A,整流管D4、D5、D6共阳极,正向电流IFM为42A,浪涌电流IFSM均为300A。二极管所使用的两种芯片均为进口芯片,采用平面外延制作工艺,表面采用玻璃钝化保护,都是成熟工艺,采用平面工艺制造的半导体器件的成品率和可靠性都非常高。

图1 某型三相整流模块等效电路图

从半导体工艺及原理分析,共阴极整流管的可靠性高于共阳极整流管,具体讲就是共阴极整流管的漏电流可以控制的更小[9]。

图2(a) 芯片(T-DWN21)剖面图

图2(b) 芯片(T-DWP21)剖面图

图2(a)为共阳极整流管D4、D5、D6所用芯片剖面图,图2(b)为共阴极整流管D1、D2、D3所用芯片剖面图。

该型三相整流模块主要电测试执行条件如表1所示。

表1 某型三相整流模块电特性

单个二极管反向漏电流IR条件:VR=1200V,IR<10μA。

共阳极整流管D4、D5、D6实际测试反向击穿电压VR远大于1200V,在其芯片生产中如果因工艺缺陷而造成部分产品存有隐患,反向漏电流虽能满足1200V的条件下其反向漏电流小于10μA的要求,但产品中的缺陷仍然存在。这些产品是工艺过程中引入了缺陷的高压不良品,这些不良品基本上是由于PN结受到沾污造成PN结软击穿所致。

PN结软击穿导致二极管电性能退化,指标参数降低从而造成故障隐患,且不易被发现,PN结软击穿时装备仍能带病工作[10],性能未发生根本变化,但多次电压冲击导致器件电性能不断退化,有缺陷的高压不良品反向击穿曲线的退化如图3所示,最终造成PN结穿通二极管彻底失效,电子装备运行不正常。

3 检测方法与实验

工程实际中,该型三相整流模块多次发生烧毁失效,输出端无供电输出。通过查阅其生产过程中的DPA报告以及其他检测报告,产品的封装工艺完全正常。通过对其失效机理分析,要保证该型三相整流模块的产品长期可靠性,必须剔除直流脉冲测试系统测试合格却存在软击穿缺陷的产品。

图3 软击穿产品反向击穿曲线退化示意图

目前,该型三相整流模块的详细规范执行GJB33A-1997JT等级的标准,主要采用半导体分立器件综合测试仪对其二极管进行直流参数测试,包括初测、中间测试、终点测试。但在产品质量分析时,发现个别产品的反向特性曲线呈软击穿特征,这类产品在长期加电使用过程中反向击穿电压逐渐退化,最终导致二极管失效。

为剔除掉这些“合格”的高压不良品,通过反复实验发现,对整流二极管进行图示仪(如图4所示)反向耐压曲线扫描能够发现存在软击穿缺陷的产品。并通过后期用户在整机上的使用情况,发现该项措施有效,能够保证该型三相整流模块长期使用中的可靠性。图5为软击穿的图示仪图像,图6为图示仪合格的图像。

图4 图示仪面板示意图

图5 软击穿曲线(500V/格)

图6 硬击穿曲线(500V/格)

通过对已交付产品的终点常温测试数据进行了统计,并对库存中图示仪不合格的产品进行了电参数复测,通过分析可知软击穿的二极管在反向击穿电压VBR=1200V下测得的漏电流IR软,要比硬击穿的二极管在相同条件下测得的漏电流IR硬要大,具体为VR=1200V时,2μA

图7 VR=1200V时硬击穿与软击穿的漏电流IR示意图

图8 该型三相整流模块在整机中部分实际应电路

图示仪检测的具体方法如下。

图8是该型三相整流模块在整机中的部分应用电路,如果不考虑输出端并联滤波电容C201电压限制要求,通过输出端(OUT+、OUT-)和输入端(IN1、IN2、IN3)采用图示仪对其反向特性曲线进行扫描,从而可以完全剔除不良品。

在该型三相整流模块实际应用电路输出端并联滤波电容C201,电容C201额定电压850V,最高击穿电压应不能超过1280V,故图示仪所加的安全扫描电压选择1200V。

(a)X轴

(b)Y轴图9 图示仪操作界面

图示仪操作界面如图9(a)、(b)所示,峰值电压+5kV档位,X轴500V/度,Y轴0.01mA/度。

根据上述分析中所得出的结论:VR=1200V时,2μA

4 结语

本文研究了整流二极管存在软击穿缺陷的影响因素,通过对工程实际中某型三相整流模块发生失效故障的分析,发现通过采取图示仪扫描反向耐压曲线的方法,能够发现存在软击穿缺陷的整流二极管。为工程技术人员提供一种有别于传统直流脉冲测试方法的整流二极管检测方法。

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联系人：张楠；联系电话：(0)18518480863

Transistor Detection Method Based on Graphic Instrument

YANG Jiyun SHAO Bing

(No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125001)

Aiming at the problem that the traditional DC pulse test method can not find the soft breakdown defect of the diode, a rectifier diode soft breakdown detection method based on the graphic instrument is proposed. Firstly, the factors causing the soft breakdown defects of diodes are analyzed, followed by analysis of a three-phase rectifier module failure in the engineering practice, it is found that the rectifier diode with soft breakdown defect can be detected by using the graphic instrument to scan the reverse pressure curve of the diode, finally through the actual test, this method is effective and feasible.

diode, breakdown, graphic instrument, testing

2016年7月9日,

2016年8月22日

杨继云,男,硕士研究生,工程师,研究方向:从事发射控制。邵兵,男,工程师,研究方向:武器发射控制。

TM932

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.029