HEMT器件的瞬态热测试和功率循环

ETM（电气法）测结温已经成为功率器件测结温的常规方法，通过对结温的高频采样，可以获得结温变化的瞬态数据，可以得到一个温度随时间的变化曲线，而这条曲线反应的就是被测器件所在的电子设备的固有的热特性，这条曲线也可以变成结构函数，通过结构函数的测量，可以对器件的散热路径做精确的分析。从而在实际的工程应用当中，我们能够对结温的估算，可靠性，能力和性能等等做客观的评价。  

现有的车规级可靠性测试标准，被普遍应用的功率半导体器件可靠性测试标准有两种，即AQG-324与AEC-Q101，功率循环（Power Cycling）的原理：通过间隙导入加热电流使芯片在发热和降温之间反复循环，不断的造成器件内部温度不均匀分布，结合器件封装材料物理特性的差异（例如热膨胀系数CTE）造成器件内部的互联结构的逐渐老化，从而最终造成器件的失效。实验过程中，通过测试器件热阻参数的变化是否损坏。如果发现器件正向导通电压的突然升高情况，则表明器件内部的键合线发生了脱落或者断裂的情况。如果热阻参数升高，则表明器件在散热路径上出现损伤。  

可见热阻值的变化是功率循环中的重要判据，而功率器件的结构函数的漂移可以精确显示热阻的变化值，因此，在功率循环实验中，必须先测量结构函数。  

Si器件和SiC器件的结构函数是比较容易测量的。当我们测量HEMT结构函数的时候，还是发现了一些问题。  

通常测量结构函数的方式有四种，如下图。

Mos-Diode模式，正向加热，正向测温，在Si MosFET器件中，通常把G和D短接，而对于IGBT，一般选择把门极电压设置成最大或者一个特定值，在这样的模式下，Si器件的电压和结温之间成一一对应的关系，从而能很好的测出结构函数。SiC器件不能用这种模式测量，因为在这种模式下，SiC器件的结温和电压不存在一一对应的关系。  

Body-Diode模式，反向加热，反向测温。即把门极电压关断，测寄生二极管的电压，这电压值和结温之间也存在一一对应的关系，从而导出结构函数。这种模式的优点在于适合Si Mos、 SiC Mos及IGBT，缺点是因为发热的部位是寄生二极管，和实际工作时的热源存在细小的差异，而且寄生二极管很脆，不适合做功能循环实验。  

RDS-on模式，正向加热，用Vgs测温，功率的加载是固定的。我们实际加热的时候，由于电流不变，电压随温度的变化而变化，因此实际的加热功率是变化的。我们通过调节门极电压的方式，让器件的导通电压保持不变以得到恒定的加热功率，而这时，门极电压的变化和结温之间，同样存在一一对应的关系。这种方式不适合测第三代半导体。  

SAT模式，正向加热，反向测温。加热时用沟道加热，测温时，把门极电压瞬间从全导通到全关断（比如从+15V变成-9V），用反向二极管的测温特性来测量结温。这种方式常用于SiC器件的功率循环实验。  

我们在HEMT器件上应用这四种方式时，发觉不能应用。  

在Mos Diode模式下，测试的电压信号有很大的振荡，在栅极上加电阻可以使振荡变小，但结构函数重现性不好，RDS-on模式和体二极管模式的结构函数也无重现性，SAT模式下，未加热也会出现类似于加热的瞬态响应。上述测试结果说明，在这些模式下，电学法测这样的HEMT器件的结温，不合适。  

HEMT器件是高频器件，其发热的机理主要是开关损耗导致，而在热测试的时候，我们无法加载开关损耗来加载功率，而把导通损耗提升到开关损耗级别，由于HEMT的导通电阻相对较小，要想获得一定的加热功率，需要提升加热电流，这又会导致引线无法承受。HEMT是一种异质结场效应晶体管，振荡，测试噪声等等因素，我们综合考虑器件的本身特性，规避一些不合理因素，尝试寻找合适的热测试参数和热测试方法。  

对一些HEMT器件做测试，发觉还是可以找到一些办法来测出HEMT器件的结构函数。  

对于某种D-mode HEMT器件，我们加热时，控制门极电压以获得较高的Vds，这样即使在相对较小的电流下，也能获得一定的加热功率。加热回路如下图：  

测试是为了避免振荡，我们选择用GS之间的肖特基二极管特性来测温，测温回路如下图：  

实际测试中，我们用这种方法，选择合适的参数，所测试的数据还是比较理想的。  

结构还是也比较理想，重现性也不错。  

这种方式需要对测试设备做一定的二次开发，而且我们发觉这种方式也未必适合所有的HEMT器件。  

而E-mode存在另外一种测试方式，加热和测温均用沟道，为了减小振荡，尝试加大测试电流，因为HEMT的器件导通电阻小，即使在很大的测试电流下，其发热依然非常小，这种方式要求设备可以提供比较大的测试电流。  

一些HEMT器件，也有用门极的漏电流来测试，测试电流是uA级。加热时，用体二极管，及从漏极到源极加载加热电流，而测试时，用从栅极到源极的电流去测Vgs。  

K系数，测试数据，和结构函数  

我们还测过还有一些Cascode器件，可以用SAT模式，Vgs 固定在 10V，加热电流 Ih 和被测电流 Is 可以从漏极施加到源极。

可见HEMT器件的热测试，并没有一个统一的标准，实践中，我们也只能根据器件去探索和尝试一种比较可行的测试方式，这通常需要对设备进行定制和开发。而在HEMT的功率循环实验中，首先要解决的是结构函数的测试问题，再决定如何把功率循环和结构函数测试这两种功能做进一步的集成，目前整个行业并没有成熟的设备支持所有HEMT器件的瞬态热测试和功率循环。从工程角度出发，基于现在的经验，我们需要做大量不同样品的测试，尝试探索共性的原理和方法，获得可信的数据，标准化样品和对应的测试模式，从而逐步形成行业认可的测试标准。