基于圓周法的IGCT芯片門/陰極性能缺陷檢測方法與實(shí)現(xiàn)*

馬寧強(qiáng)，喬 旭，馬 帥

（西安派瑞功率半導(dǎo)體變流技術(shù)股份有限公司， 西安 710077）

0 引言

功率半導(dǎo)體器件發(fā)展40多年來，隨著對電壓和功率各方面的性能要求不斷提高，其復(fù)雜性和容量一直在增長。傳統(tǒng)的晶閘管元件只能在交流電周期末端進(jìn)行關(guān)斷，其改進(jìn)型便是集成門極換流晶閘管ICGT[1]。ICGT 器件由門極硬驅(qū)動(dòng)電路和GCT芯片構(gòu)成，GCT是IGCT的核心器件，由GTO演變而來，引入緩沖層、透明陽極、逆導(dǎo)二極管等技術(shù)。IGCT具有電流大[2]、阻斷電壓高[3]、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、低導(dǎo)通損耗等特點(diǎn)，而且成本低、成品率高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

一只GCT芯片制作在一個(gè)獨(dú)立完整的晶圓上，門/陰極之間集成了數(shù)千個(gè)分立開關(guān)單元[4]，芯片封裝后這些單元處于并聯(lián)狀態(tài)形成一個(gè)器件的門極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，若有任何一個(gè)單元短路或達(dá)不到設(shè)計(jì)的特性參數(shù)，均會(huì)造成門極特性失效，器件報(bào)廢。經(jīng)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，極個(gè)別單元不參與工作對器件的門極特性影響甚微，通過屏蔽極個(gè)別的單元可以挽救一只價(jià)值昂貴的整只GCT芯片，相反能找出其中失效的單元變得極具價(jià)值。

經(jīng)過對國內(nèi)外市場調(diào)研，獲得晶圓表面成百上千只獨(dú)立器件參數(shù)測試的設(shè)備均為自動(dòng)逐個(gè)打點(diǎn)測試原理[5]。經(jīng)測算，例如6寸GTC芯片表面陰極梳條多達(dá)4200個(gè)左右，以打點(diǎn)測試一個(gè)點(diǎn)約1.5 s計(jì)算，測試完一只芯片耗時(shí)約100 min，效率極其低下，滿足不了生產(chǎn)需求。

為實(shí)現(xiàn)此種應(yīng)用要求，該系統(tǒng)應(yīng)具有：測試效率相比打點(diǎn)測試提高15倍以上，探針接觸不可劃傷芯片表面并可靠地進(jìn)行直流檢測信號(hào)傳輸，適用于獨(dú)立單元的二極管阻斷特性測試，加載的直流電壓可預(yù)設(shè)定，測試準(zhǔn)確，缺陷或失效位置準(zhǔn)確定位標(biāo)識(shí)等。

1 方法設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)工作原理

為獲得GCT 芯片的陰極有較大導(dǎo)電面積和導(dǎo)電均勻性，GCT芯片陰極設(shè)計(jì)成多圈梳條環(huán)形分布結(jié)構(gòu)，如圖1中所示。每一個(gè)陰極梳條均與門極之間制作有一個(gè)PN結(jié)J3，形成等效二極管特性，從d1，d1，…，dn有上千只等效二極管，所有陰極梳條在封裝時(shí)通過上鉬片壓接接觸陰極金屬鋁層形成陰極[6]，門極與陰極之間通過制造絕緣層隔離，若有任何一只二極管短路或達(dá)不到設(shè)計(jì)的反向耐壓，均會(huì)造成門極特性失效[7]。

圖1 GCT芯片結(jié)構(gòu)

為快速準(zhǔn)確檢測出芯片存在的上述缺陷，本文設(shè)計(jì)出基于圓周運(yùn)動(dòng)的IGCT芯片門/陰極性能缺陷測試臺(tái)[8]，本方法是利用陰極梳條多圈環(huán)形分布的特點(diǎn)，通過芯片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用門極滾動(dòng)探針和陰極滑動(dòng)軟探針將直流電壓加在被測二極管上，在測試前，先設(shè)定好旋轉(zhuǎn)方向、運(yùn)動(dòng)速度等，轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于360°，保證一整圈圓周上所有二極管都能被檢測到[9]。當(dāng)測試中檢測到失效器件時(shí)，電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)暫停，打點(diǎn)標(biāo)識(shí)，然后繼續(xù)檢測判斷，直至完成整個(gè)芯片測試。

本測試臺(tái)系統(tǒng)工作原理[10]如圖2所示。由可調(diào)直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生0～30 V 直流電壓，電壓正極加在被測GCT 芯片的陰極，電壓負(fù)極加在門極，即形成對被測二極管施加以反向阻斷電壓[11]，同時(shí)在回路中與被測二極管串聯(lián)過電壓取樣電阻，用于檢測過電壓值，通過在信號(hào)處理控制板上預(yù)設(shè)過電壓保護(hù)值，當(dāng)被測二極管反向轉(zhuǎn)折電壓低于設(shè)定值時(shí)，表明二極管存在反向耐壓不夠或門陰極之間有短路等缺陷，線路即動(dòng)作。

圖2 系統(tǒng)工作原理

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由圓周法精密測試探針臺(tái)、電氣控制箱、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、CCD數(shù)字顯微鏡和高清顯示器等部分組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成

精密測試探針臺(tái)主要依靠XYZ三維移動(dòng)測試平臺(tái)調(diào)整GCT 芯片的初始位置，探針臺(tái)上安裝了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以驅(qū)動(dòng)GCT 芯片在測試過程中做圓周運(yùn)動(dòng)，探針臺(tái)左側(cè)為壓桿式滾動(dòng)接觸導(dǎo)電滾輪機(jī)構(gòu)作為門極探針，右側(cè)為陰極滑動(dòng)接觸軟探針并固定在機(jī)架上，陰極軟探針位置不隨著探針臺(tái)移動(dòng)而移動(dòng)，相對固定，僅在測試時(shí)通過自帶的二維調(diào)節(jié)平臺(tái)調(diào)節(jié)至測試梳條上，保證可靠接觸，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兼顧了裝片操作方便性和運(yùn)動(dòng)測試中探針接觸良好?？烧{(diào)直流穩(wěn)壓電源提供阻斷電壓通過探針反向施加給被測等效二極管，電氣控制箱是該測試儀的控制核心，安裝有電壓顯示儀表和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器等，通過設(shè)定旋鈕預(yù)設(shè)過電壓值，當(dāng)測試中檢測到二極管承受的電壓低于設(shè)定值時(shí)內(nèi)部信號(hào)控制板上的比較器反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)保持器輸出信號(hào)暫停電機(jī)，打點(diǎn)器自動(dòng)打點(diǎn)標(biāo)識(shí)，隨后按復(fù)位鍵繼續(xù)測試。CCD 數(shù)字顯微鏡和高清顯示器用于微觀觀測芯片測試過程及探針調(diào)節(jié)。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 精密探針臺(tái)結(jié)構(gòu)

精密測試探針臺(tái)為C 形結(jié)構(gòu)如圖4 所示，底部為梯形底座，中后部為方形立柱，整個(gè)測試平臺(tái)安裝在立柱的中部，為架空布局。高清CCD 數(shù)字顯微鏡安裝在頂部中心位置，包括CMOS 攝像頭、照明燈和顯示器，用于測試過程中的微觀圖像監(jiān)控。精密測試探針臺(tái)包括XYZ三維移動(dòng)測試平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、測試夾具、門極滾輪測試探針組件、陰極測試軟探針組件和打點(diǎn)器組件。電氣部分包括控制箱、可調(diào)直流電源、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器和步進(jìn)電機(jī)等。

圖4 探針臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 門極壓桿式滾動(dòng)接觸導(dǎo)電滾輪機(jī)構(gòu)

GCT 芯片門極的形狀為處于芯片中間寬度約3 mm 的 圓 環(huán) 狀， 因此，考慮良好導(dǎo)電和運(yùn)動(dòng)接觸兩方面因素，專門設(shè)計(jì)了如圖5 所示的門極壓桿式滾輪測試探針組件。組件中的銅滾輪外輪廓為圓弧設(shè)計(jì)，材料為純銅，中心安裝微型精密軸承，以保證在運(yùn)動(dòng)過程中的良好導(dǎo)電，并不損傷門極引出電極鋁層。壓桿式結(jié)構(gòu)為銅壓桿繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)，工作時(shí)通過彈簧施加作用力把滾輪可靠定位在芯片的門極區(qū)域。壓桿機(jī)構(gòu)通過固定支架安裝在與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)同一塊安裝板上，與芯片相對位置固定，只在測試過程中滾輪跟隨芯片運(yùn)動(dòng)。測試完畢后可以人工向下壓銅壓桿的尾端讓滾輪探針前段抬起，方便取放芯片。

圖5 門極壓桿式滾輪探針組件

2.3 陰極滑動(dòng)接觸軟探針機(jī)構(gòu)

GCT芯片陰極形狀為圍繞芯片中心多圈環(huán)形分布的點(diǎn)狀梳條結(jié)構(gòu)，每個(gè)陰極梳條形狀為大約0.3 mm× 2.8 mm 見方的條形，每個(gè)梳條之間制作絕緣層，梳條凸起約20 μm。提高測試效率是該測試臺(tái)設(shè)計(jì)必須考慮的問題，為保證接觸可靠性和測試效率，陰極軟探針滑動(dòng)接觸是解決陰極多點(diǎn)測試的有效方法。陰極軟探針[12]結(jié)構(gòu)如圖6 所示，頂端是鉬材質(zhì)的針須，針須直徑φ0.1 mm，長度3 mm，焊接在鉬材質(zhì)的探針柄上，針須要有良好的柔韌性，探針柄緊插在微孔銅管中，銅管外圍與探針不銹鋼殼體之間用樹脂填充，后端引出電極引線。此探針在工作時(shí)探針頭布置在芯片運(yùn)動(dòng)的切線位置，與芯片表面形成30°夾角，旋轉(zhuǎn)方向與探針順向，保證探針良好接觸，不劃傷陰極鋁條并保護(hù)探針。

圖6 陰極軟探針組件

2.4 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電子齒輪比

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)可編程控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分[13]放大后精確控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)選用兩相混合式電機(jī)，步距角為1.8°，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)為32，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的減速比為180∶1，則

電子齒輪比：

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需脈沖數(shù)=（360°/步距角）×細(xì)分?jǐn)?shù)=6400

角度控制的電子齒輪比:

電子齒輪比=(電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需脈沖數(shù)×減速比)/（360°×1000）=16/5

把此數(shù)值輸入步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)可編程控制器相對應(yīng)的參數(shù)中，編程時(shí)直接按角度編程來控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

3 測試與應(yīng)用

利用上述原理組建的儀器對GCT 芯片進(jìn)行門/陰極阻斷特性測試，測試時(shí)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)節(jié)至25 V，要高于根據(jù)芯片性能參數(shù)預(yù)設(shè)定的過電壓值20 V，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器上通過編程設(shè)置好運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)角度365°，放置芯片并調(diào)節(jié)好初始位置，開始測試工作。通過實(shí)際測試運(yùn)行，缺陷檢出率100%，沒有漏檢誤檢，圖7所示為檢測到缺陷的情況。

圖7 實(shí)時(shí)檢測到缺陷的情形

用6 寸GCT 芯片進(jìn)行連續(xù)測試，記錄工作時(shí)間和被測芯片數(shù)，在6 h 工作時(shí)間內(nèi)，采用本測試儀共檢測芯片66 片，平均耗時(shí)小于6 min/片，而例如清華大學(xué)電氣工程學(xué)院使用的通用打點(diǎn)測試臺(tái)[14]耗時(shí)在100 min/片左右，效率提高了約15倍。

4 結(jié)束語

本文基于圓周法設(shè)計(jì)的IGCT芯片門/陰極性能缺陷檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GCT 芯片的門陰極阻斷特性測試功能，適用于GCT芯片門/陰極之間的不同阻斷電壓等級(jí)和不同規(guī)格尺寸的GCT芯片測試需要。通過配以門極滾輪式滾動(dòng)探針和陰極軟探針解決了被測芯片運(yùn)動(dòng)過程中的直流測試信號(hào)施加及信號(hào)采樣問題，依照前述原理組建的測試臺(tái)進(jìn)行了長期實(shí)際工作應(yīng)用，證實(shí)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，判定準(zhǔn)確，實(shí)用性強(qiáng)，效率高出傳統(tǒng)打點(diǎn)測試方法15倍以上。提供了一種針對GCT芯片門/陰極阻斷特性判斷、缺陷位置高效檢出的手段，可廣泛應(yīng)用于此類GCT 器件加工制造的中間測試環(huán)節(jié)，極大地提高了規(guī)模生產(chǎn)效率，具有非常高的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。