逆导型IGBT的间歇寿命试验电路和方法

摘要

本发明涉及一种逆导型IGBT的间歇寿命试验电路和方法，包括控制电路、栅极电压源、集电极电压源、测试电流源和电阻，栅极电压源、测试电流源和电阻均连接控制电路，栅极电压源、测试电流源、电阻和控制电路均用于连接逆导型IGBT，集电极电压源与电阻串联连接。控制电路控制测试电流源和集电极电压源分别提供逆向测试电流和集电极电压，在进行测试时，由于逆导型IGBT集成了反向二极管，通过输入逆向测试电流，测试逆导型IGBT的集电极和发射极之间的压降并根据预设的温敏系数，得到结温的变化情况，根据结温变化情况判断器件的状态和退化情况，避免了由于正向测试时回跳现象引起的测试不准确情况，间歇寿命试验准确度高。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体测试领域，特别是涉及一种逆导型IGBT的间歇寿命试验电路和方法。

背景技术

逆导型绝缘栅双极型晶体管是一种新型的IGBT器件，它是将IGBT元胞结构以及快恢复二极管(FRD)元胞结构集成在同一个芯片上，逆导型IGBT器件具有小尺寸、高功率密度、低成本、高可靠性等诸多优点，但是逆导型IGBT的电压回跳现象限制了它在实际中的应用。

间歇寿命试验是考核IGBT寿命及可靠性的一项重要指标。由于IGBT是大功率开关器件，在工作时会经历快速、大幅度的温度变化，材料热胀冷缩在界面将产生很大的剪切应力，造成原有缺陷(如空洞、裂纹等)逐渐扩大而失效。国内外各项标准及详细规范都要求对IGBT器件进行间歇寿命试验。但由于逆导型IGBT内部结构与传统IGBT的不同以及snapback回跳现象，逆导型IGBT在小电流脉冲测试情况下测量的结温并不准确，甚至会出现负温，因此，传统的间歇寿命试验准确性低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种准确性高的逆导型IGBT间歇寿命试验电路和方法。

一种逆导型IGBT的间歇寿命试验电路，包括控制电路、栅极电压源、集电极电压源、测试电流源和电阻，所述栅极电压源、所述测试电流源和所述电阻均连接所述控制电路，所述栅极电压源、所述测试电流源、所述电阻和所述控制电路均用于连接逆导型IGBT，所述集电极电压源与所述电阻串联连接，

所述控制电路控制所述集电极电压源输出电压至所述逆导型IGBT，以使所述逆导型IGBT的结温升高，并开始计时得到第一计时时间；当所述第一计时时间达到第一预设时间时，控制所述测试电流源输出逆向测试电流至所述逆导型IGBT并开始计时得到第二计时时间，获取所述逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第一压降，根据所述第一压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最高结温；当所述第二计时时间达到第二预设时间时，获取所述逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第二压降，根据所述第二压降和预设温敏系数得到所述逆导型IGBT的最低结温；根据所述最高结温和所述最低结温得到结温变化量，在检测到所述结温变化量小于预设失效阈值、大于或等于预设正常最低阈值且试验次数达到预设循环周期次数时，输出试验结果为通过的提示信息。

一种逆导型IGBT的间歇寿命试验方法，包括以下步骤：

控制集电极电压源输出电压至所述逆导型IGBT，以使所述逆导型IGBT的结温升高，并开始计时得到第一计时时间；

当所述第一计时时间达到第一预设时间时，控制测试电流源输出逆向测试电流至所述逆导型IGBT并开始计时得到第二计时时间，获取所述逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第一压降，根据所述第一压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最高结温

当所述第二计时时间达到第二预设时间时，获取所述逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第二压降，根据所述第二压降和预设温敏系数得到所述逆导型IGBT的最低结温；

根据所述最高结温和所述最低结温得到结温变化量，在检测到所述结温变化量小于预设失效阈值、大于或等于预设正常最低阈值且试验次数达到预设循环周期次数时，输出试验结果为通过的提示信息。

上述逆导型IGBT的间歇寿命试验电路和方法，控制集电极电压源输出电压至逆导型IGBT，以使逆导型IGBT的结温升高，并开始计时得到第一计时时间；当第一计时时间达到第一预设时间时，控制测试电流源输出逆向测试电流至逆导型IGBT并开始计时得到第二计时时间，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第一压降，根据第一压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最高结温；当第二计时时间达到第二预设时间时，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第二压降，根据第二压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最低结温；根据最高结温和最低结温得到结温变化量，在检测到结温变化量小于预设失效阈值、大于或等于预设正常最低阈值且试验次数达到预设循环周期次数时，输出试验结果为通过的提示信息。测试时，由于逆导型IGBT集成了反向二极管，通过输入逆向测试电流，测试逆导型IGBT的集电极和发射极之间的压降，并根据预设温敏系数，得到结温的变化情况，根据结温的变化情况判断试验条件的准确性及逆导型IGBT器件的退化情况，避免了由于正向测试时回跳现象引起的结温测试不准确情况，提高了间歇寿命试验的准确性。

附图说明

图1为一实施例中逆导型IGBT的间歇寿命试验电路图；

图2为一实施例中逆导型IGBT的回跳现象；

图3为另一实施例中逆导型IGBT的间歇寿命试验电路图；

图4为又一实施例中逆导型IGBT的间歇寿命试验电路部分示意图；

图5为一实施例中逆导型IGBT间歇寿命试验剖面；

图6为一实施例中逆导型IGBT的间歇寿命试验方法流程图；

图7为另一实施例中逆导型IGBT的间歇寿命试验方法流程图；

图8为又一实施例中逆导型IGBT的间歇寿命试验方法流程图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，一种逆导型IGBT的间歇寿命试验电路，包括控制电路110、栅极电压源120、集电极电压源140、测试电流源130和电阻150，栅极电压源120、集电极电压源140和电阻150均连接控制电路110，栅极电压源120、测试电流源130、电阻150和控制电路110均用于连接逆导型IGBT，集电极电压源140与电阻150串联连接，控制电路110控制集电极电压源140输出电压至逆导型IGBT，以使逆导型IGBT的结温升高，并开始计时得到第一计时时间；当第一计时时间达到第一预设时间时，控制测试电流源130输出逆向测试电流至逆导型IGBT并开始计时得到第二计时时间，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第一压降，根据第一压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最高结温；当第二计时时间达到第二预设时间时，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第二压降，根据第二压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最低结温；根据最高结温和最低结温得到结温变化量，在检测到结温变化量小于预设失效阈值、大于或等于预设正常最低阈值且试验次数达到预设循环周期次数时，输出试验结果为通过的提示信息。

具体地，相对传统IGBT器件，逆导型IGBT在成本和性能上具有很大优势，加上巨大的市场需求使得逆导型IGBT成为国外各大厂商研究的焦点。逆导型IGBT的大部分结构与传统的IGBT结构相似，最大的区别是，逆导型IGBT的集电极不是连续的P+区，而是间断地引入一些N+短路区，逆导型IGBT的P-基区、N-漂移区、N+buffer层及N+短路区构成了一个PIN二极管，即逆导型IGBT等效于一个IGBT与一个PIN二极管反并联，只不过在同一芯片上实现了。当IGBT在承受反压时，PIN二极管导通，这也正是称其为逆导型IGBT的原因，在关断期间，逆导型IGBT为漂移区过剩载流子提供了一条有效的抽走通道，大大缩短了逆导型IGBT的关断时间。然而，逆导型IGBT在拥有诸多优点的同时，也带来了些问题，最主要的是回跳现象(Snap-back)，限制了它在实际中的应用。

典型的逆导型IGBT的I-V特性如图2所示，在逆导型IGBT导通初期，电流密度很小，V_CE很大。但当V_CE大于一个特定值VP时，V_CE会陡降，电流密度则陡增，电流电压的变化有点类似双极性晶体管的二次击穿，当然其原理与二次击穿完全不同。I-V特性曲线上出现了一大段负阻区，这种现象即为snap-back现象(也称为switch-back现象)，如图2中的I-V曲线出现的折返。如果电流密度继续增加，I-V曲线上还会出现一系列的小幅snap-back现象。

控制电路110用于分别控制栅极电压源120、测试电流源130以及串联的集电极电压源140和电阻150的接入和断开，串联的集电极电压源140和电阻150用于提供加热电流至逆导型IGBT，使逆导型IGBT的结温上升，结温(junction temperature)是处于电子设备中实际半导体芯片(晶圆、裸片)的中PN结的工作温度，它通常高于外壳温度和器件表面温度；测试电流源130用于输出逆向测试电流至待测逆导型IGBT进行测试；栅极电压源120用于控制待测逆导型IGBT的栅极的电压，从而调节待测逆导型IGBT的栅极和集电极之间的电压。由于IGBT处于间歇工作状态时，器件经历周期性高温、低温循环，形成了热循环。该热循环在器件内部产生应力，并在热循环过程中反复不断地作用在器件内部的接合层上，使器件的热阻增加，最后导致器件热疲劳失效，因此，试验过程中监测器件结温变化可以判断器件的状态和退化情况。

进一步地，在试验过程中得到最高结温和最低结温后，控制电路110根据最高结温和最低结温得到结温变化量，检测结温变化量是否小于预设失效阈值且大于或等于预设正常最低阈值，若是，则表明试验条件设置准确，且该次试验结果为器件正常，当试验次数达到预设循环周期次数时，则输出试验结果为通过的提示信息，当试验次数没达到预设循环周期次数时，则继续进行试验；在循环的过程中，检测到结温变化量大于或等于预设失效阈值时，输出试验结果为失效的提示信息。在试验条件设置准确的前提下，可以准确检测器件结温变化从而准确判断器件的状态和退化情况。

在一个实施例中，如图3所示，控制电路110包括控制器112和连接控制器112的电压电流源控制器114，栅极电压源120、测试电流源130和电阻150均连接电压电流源控制器114，电压电流源控制器114用于连接逆导型IGBT。

具体地，控制器112用于控制电压电流源控制器114的开断从而控制栅极电压源120、测试电流源130以及串联的电阻150和集电极电压源140的接入和断开，电压电流源控制器114的具体种类并不限定，可以接收控制器112的控制进行导通或者断开即可，可以是继电器或者开关或其他器件等。

在一个实施例中，如图4所示(未示出控制器112)，电压电流源控制器114为切换开关，切换开关包括一个静触点和两个动触点，两个动触点分别为第一动触点和第二动触点，第一动触点连接电阻150的输入端，电阻150的输出端连接集电极电压源140的正极，第二动触点连接测试电流源130的输入端，静触点用于连接逆导型IGBT的集电极，栅极电压源120的正极用于连接逆导型IGBT的栅极，集电极电压源140的负极、测试电流源130的输出端和栅极电压源120负极均用于连接逆导型IGBT的发射极，逆导型IGBT的发射极接地。

具体地，静触点和第一动触点1控制电阻150和集电极电压源140的接入和断开，静触点和第一动触点1控制测试电流源130的接入和断开，控制器112控制静触点连接第一动触点，逆导型IGBT与串联的电阻150和集电极电压源140连接，集电极电压源140输出电压，以使逆导型IGBT的结温升高，并开始计时得到第一计时时间；当第一计时时间达到第一预设时间时，控制静触点连接第二动触点，测试电流源130接入到电路中，输出逆向测试电流至逆导型IGBT并开始计时得到第二计时时间，采集逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第一压降，根据第一压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最高结温；当第二计时时间达到第二预设时间时，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第二压降，根据第二压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最低结温；根据最高结温和最低结温得到结温变化量，在检测到结温变化量小于预设失效阈值、大于或等于预设正常最低阈值且试验次数达到预设循环周期次数时，输出试验结果为通过的提示信息；在检测到结温变化量大于或等于预设失效阈值时，输出试验结果为失效的提示信息；在检测到结温变化量小于预设失效阈值、小于预设正常最低阈值且试验次数未达到预设循环周期次数时，对试验次数进行迭代，并返回控制集电极电压源输出电压至逆导型IGBT，以使逆导型IGBT的结温升高，并开始计时得到第一计时时间，以上是在试验条件设置准确的前提下进行的。

进一步地，在本实施例中，第一预设时间和第二预设时间按照标准规定，如下表所示，预设逆向测试电流、栅极电压、集电极电压需要在规定的时间内使逆导型IGBT的结温差值达到规定的ΔT，即当在最开始进行试验时，检测到结温变化量小于预设正常最低阈值ΔT，则表明试验条件不符合要求，增加集电极电压源140输出的电压，从而增加加热电流，再次进行试验，同样，检测到结温变化量大于预设正常最低阈值ΔT时，则表明试验条件不符合要求，降低集电极电压源140输出的电压，从而降低加热电流，再次进行试验，直至第一次试验时，结温变化量等于预设正常最低阈值ΔT，则继续按照这个试验条件进行后续试验。如图5所示，例如按照标准AEC-Q101在2min内如果ΔTj达不到100℃，则增加集电极电压从而增加加热电流。

上述逆导型IGBT的间歇寿命试验电路，在进行测试结温时，由于逆导型IGBT集成了反向二极管，通过输入逆向测试电流，测试二极管的压降并根据预设的K系数(温敏系数)，得到结温的变化情况，根据结温变化情况判断试验条件的准确性及逆导型IGBT器件的退化情况，避免了由于正向测试时回跳现象引起的结温测试不准确情况。

在一个实施例中，如图6所示，一种逆导型IGBT的间歇寿命试验方法，基于上述逆导型IGBT的间歇寿命试验电路实现，包括以下步骤：

步骤S110：控制集电极电压源输出电压至逆导型IGBT，以使逆导型IGBT的结温升高，并开始计时得到第一计时时间。

具体地，控制器控制切换开关的静触点与第一动触点1接通，使逆导型IGBT导通，逆导型IGBT从室温开始快速升温，并开始计时t_on时间。

步骤S120：当第一计时时间达到第一预设时间时，控制测试电流源输出逆向测试电流至逆导型IGBT并开始计时得到第二计时时间，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第一压降，根据第一压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最高结温。

具体地，当t_on结束瞬间，即第一计时时间达到第一预设时间时，控制器控制切换开关的静触点与第二动触点连接，测试电流源输出逆向测试电流至逆导型IGBT并开始计时，得到t_off时间，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第一压降，根据第一压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最高结温，在t_off时间，逆导型IGBT的结温开始下降。

在本实施例中，根据第一压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最高结温，包括：

其中，T_jmin(n-1)为间歇寿命试验第n-1次循环周期的最低结温，K为温敏系数，T_jmax(n)为间歇寿命试验第n次循环周期的最高结温，ΔV_ce为逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第一压降。

步骤S130：当第二计时时间达到第二预设时间时，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第二压降，根据第二压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最低结温。

具体地，当t_off结束瞬间，即第二计时时间达到第二预设时间时，获取逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第二压降，根据第二压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最低结温。在本实施例中，根据第二压降和预设温敏系数得到逆导型IGBT的最低结温，包括：

其中，K为温敏系数，T_jmax(n)为间歇寿命试验第n次循环周期的最高结温，T_jmin(n)为间歇寿命试验第n次循环周期的最低结温，ΔV_ce'为逆导型IGBT的集电极和发射极之间的第二压降。

步骤S140：根据最高结温和最低结温得到结温变化量，在检测到结温变化量小于预设失效阈值、大于或等于预设正常最低阈值且试验次数达到预设循环周期次数时，输出试验结果为通过的提示信息。

具体地，功率器件通常由异质材料构成多层结构，在间歇寿命试验过程中不同热膨胀系数的材料会产生交变应力，使材料弯曲变形并发生蠕变疲劳，从而导致硅芯片与基板之间以及基板与底板之间的焊接层中产生裂纹并逐渐扩散。随着焊接层疲劳程度的增加，空洞与裂纹的发展将导致焊接层有效接触面积逐渐减小，这将引起模块内部热阻增加、芯片结温增加并最终造成芯片过热而烧毁。随着间歇寿命试验的进行，器件结温逐渐升高，说明焊料层的空洞和裂纹在逐渐增加。

进一步地，预设失效阈值通常为热阻增加20％，热阻和结温变化量之间转换计算公式为现有的，通常，预设失效阈值作为焊接层疲劳失效的临界指标，当检测到结温变化量慢慢增大时，说明逆导型IGBT慢慢在退化，预设正常最低阈值为100℃，当结温变化量大于或等于预设正常最低阈值且小于预设失效阈值，则表明试验条件设置准确，且该次试验结果为器件正常，当试验次数达到预设循环周期次数时，则结束此次试验周期，输出试验结果为通过的提示信息。

在另一个实施例中，如图7所示，步骤S130之后，还包括步骤S150：根据最高结温和最低结温得到结温变化量，在检测到结温变化量大于或等于预设失效阈值时，输出试验结果为失效的提示信息。

具体地，在试验周期的过程中，检测到结温变化量大于或等于预设失效阈值时，则表明器件已退化失效，输出试验结果为失效的提示信息。

在又一个实施例中，如图8所示，步骤S130之后，还包括步骤S160：根据最高结温和最低结温得到结温变化量，在检测到结温变化量小于预设失效阈值、大于或等于预设正常最低阈值且试验次数未达到预设循环周期次数时，对试验次数进行迭代，并返回步骤S110。

具体地，当前次试验结果为通过且试验次数没达到预设循环周期次数时，则返回步骤S110继续进行试验。

上述逆导型IGBT的间歇寿命试验方法，由控制器控制切换开关，控制测试电流源和集电极电压源分别提供逆向测试电流和集电极电压，在进行测试时，由于逆导型IGBT集成了反向二极管，通过输入逆向测试电流，测试逆导型IGBT的集电极和发射极之间的压降并根据预设的温敏系数，得到结温的变化情况，根据结温变化情况判断器件的状态和退化情况，可在小电流脉冲测试条件下准确测量逆导型IGBT间歇寿命试验过程中的结温变化情况，根据结温变化情况判断试验条件的准确性及逆导型IGBT器件的退化情况，避免了由于正向测试时回跳现象引起的结温测试不准确情况。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。