DB13-T 5696-2023 基于高溫反偏試驗的GaN HEMT射頻功率器件缺陷快速篩選方法

ICS31.080CCSL4013基于高溫反偏試驗的GaNHEMT射頻功率器2023-05-06發(fā)布IDB13/T5696—2023前言 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4文字符號 5篩選原理 26篩選條件 27篩選系統(tǒng)構(gòu)成和要求 28篩選方法 29判據(jù) 510試驗報告 5附錄A（資料性）電壓控制及電流采集模塊電路 6參考文獻 7DB13/T5696—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別這些專利的責任。本文件由石家莊市市場監(jiān)督管理局提出。本文件起草單位：河北博威集成電路有限公司。本文件主要起草人：郭躍偉、王鵬、張博、王靜輝、閆志峰、郝永利、王景亮、劉子浩。本文件為首次發(fā)布。DB13/T5696—2023GaNHEMT功率器件在生產(chǎn)過程中可能會存在一系列缺陷，例如介質(zhì)缺陷、表面沾污、裂紋、溝道漏電以及局部發(fā)熱點等，這些缺陷在使用初期不易被發(fā)現(xiàn)，而在長期使用中極易導致器件失效。用戶使用過程中，尤其在單個模塊或組件中使用多個GaNHEMT功率器件的應(yīng)用場景下，單個器件的失效可能導致整個模塊或組件失效或報廢，因此對于GaNHEMT功率器件失效率要求更為嚴苛。高溫反偏是在一定的溫度下、對器件連續(xù)施加一定時間的高溫直流反向偏置電應(yīng)力，通過電熱應(yīng)力的綜合作用來加速器件內(nèi)部物理變化和化學反應(yīng)過程，促使隱藏于器件內(nèi)部的各種潛在缺陷在早期暴露出來，從而達到剔除早期失效器件的目的。通過在高溫反偏過程中監(jiān)測器件的電流變化特性，找出缺陷器件和正常器件的電流變化特性差異，達到可在較短時間內(nèi)剔除存在早期失效風險器件的目的。特制訂本文件。1DB13/T5696—2023基于高溫反偏試驗的GaNHEMT射頻功率器件缺陷快速篩選方法本文件規(guī)定了基于高溫反偏試驗的GaNHEMT射頻功率器件缺陷快速篩選的篩選原理、篩選條件、篩選系統(tǒng)構(gòu)成和要求、篩選方法和判據(jù)。本文件適用于工業(yè)級GaNHEMT射頻功率器件的快速篩選，GaNHEMT射頻功率模塊可參照使用。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1缺陷defect特指器件鈍化層（或鈍化層外）可移動或溫度可激活或電場可激活的雜質(zhì)。3.2漏極電流變化比draincurrentratioofchange被測器件在篩選初始時的漏極電流與被測器件在篩選結(jié)束時的漏極電流的比值。3.3柵極電流變化比gatecurrentratioofchange被測器件在篩選初始時的柵極電流與被測器件在篩選結(jié)束時的柵極電流的比值。3.4同族器件familydevice來自同一工藝平臺，使用相同的材料、制造工藝、設(shè)計規(guī)則、封裝結(jié)構(gòu)以及相似電路的器件。4文字符號文字符號見表1。表1文字符號一覽表IIIIR2DB13/T5696—20235篩選原理早期失效篩選就是要誘發(fā)潛在缺陷讓器件提前失效，常規(guī)應(yīng)用最廣泛的篩選方法是高溫反偏試驗。在試驗過程中，較高的工作溫度、稍低于器件擊穿電壓的反向偏壓，可揭示在器件鈍化層及場耗盡結(jié)構(gòu)的缺陷?？焖俸Y選是通過在高溫反偏過程中監(jiān)測器件的電流變化特性，找出缺陷器件和正常器件的電流變化特性差異，從而實現(xiàn)在較短時間內(nèi)剔除存在早期失效風險器件的目的。6篩選條件6.1溫度：25℃±2℃;濕度：25%~75%，氣壓：86kPa~106kPa。篩選環(huán)境應(yīng)無影響試驗結(jié)果準確性的機械振動、電磁干擾或其他雜波干擾。6.2被測器件的篩選電壓應(yīng)為額定工作峰值反向電壓的50%~80%，反向偏置直流電壓的紋波應(yīng)小于20%，環(huán)境或管殼試驗溫度通常為150℃。篩選時間根據(jù)摸底試驗（見8.1.1）確定。7篩選系統(tǒng)構(gòu)成和要求7.1篩選系統(tǒng)構(gòu)成篩選系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。各部分組成和功能如下：圖1基于高溫反偏篩選系統(tǒng)的示意圖a)篩選夾具：確保被測器件與電壓控制及電流采集模塊穩(wěn)定連接，計算機控制及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)通過篩選夾具完成電壓控制模塊對固定于夾具上被測器件的加電，及電流采集模塊對被測器件柵極電流和漏極電流的采集，同時確保被測器件在篩選過程中溫度可控；b)電壓控制模塊：控制試驗過程中被測器件篩選電壓的開啟和關(guān)閉，應(yīng)具備當出現(xiàn)個別被測器件失效時，不影響其他被測器件試驗狀態(tài)的功能。原理圖見附錄A；c)電流采集模塊：準確采集被測器件的柵極電流及漏極電流并實時上傳至數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。原理圖見附錄A；d)計算機控制及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)：用于設(shè)置篩選過程中的篩選參數(shù)、在篩選過程中監(jiān)控篩選狀態(tài)并保證與設(shè)置值一致、記錄篩選數(shù)據(jù)、標記失效器件、系統(tǒng)異常告警或斷電等。計算機控制及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的搭建原則為能與電壓控制及電流采集模塊通信，并能控制電壓控制模塊，讀取電流采集模塊采集的電流值，通過控制烘箱溫度等方法控制被測器件的殼溫。7.2篩選系統(tǒng)設(shè)備要求7.2.1電壓控制模塊：保證加載到被測器件端的電壓值與設(shè)置電壓值偏差不超過±3%。7.2.2電流采集模塊：電流分辨率最大為所檢測電流的1%，精準度為顯示值的±1%。7.2.3篩選系統(tǒng)所用的測量儀器應(yīng)經(jīng)過校準。8篩選方法8.1篩選步驟8.1.1摸底試驗對于同族器件首先需進行摸底試驗，從而確定快速篩選（見8.1.2）方法的篩選時間。試驗條件：器件的試驗電壓及溫度（見6.2），時間為48h。試驗樣本及試驗步驟：試驗步驟簡化流程如圖2所示。3DB13/T5696—2023圖2基于高溫反偏試驗的GaNHEMT射頻功率放大器摸底試驗簡化流程圖a)摸底試驗初始樣本數(shù)量不少于1000只；b)根據(jù)GaNHEMT射頻功率器件的封裝形式，選擇與封裝匹配的篩選夾具；c)通過計算機控制及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，設(shè)定相關(guān)試驗參數(shù)，包括t、VGS、VDS、VDS上升時間、VDS滯后時間、老化時間、采樣時間間隔（至少小于1min）等參數(shù)；d)在設(shè)定好的溫度、VGS、VDS條件下，將被測器件進行規(guī)定時間的高溫反偏試驗。在試驗開始時，首先確認所有被測器件與試驗夾具接觸良好，之后開始記錄試驗數(shù)據(jù)，所記錄的數(shù)據(jù)為被測器件在整個試驗過程中的IG及ID，按照采樣時間間隔記錄多組不同時間的電流數(shù)據(jù)；e)試驗結(jié)束后，等待系統(tǒng)降溫至50℃以下將被測器件從篩選夾具中取出；f)查詢試驗過程中的電流數(shù)據(jù)，將存在電流為零的器件定義為失效器件，出現(xiàn)電流為零對應(yīng)的試驗時間定義為失效時間；g)失效器件數(shù)量大于10只，摸底試驗完成。如果失效器件數(shù)量小于10只，則重復進行列項a）~列項f），直至失效器件數(shù)量大于10只，摸底試驗完成。確定快速篩選時間：統(tǒng)計摸底試驗中所有失效器件的失效時間，將最長失效時間的2倍定為快速篩選（見8.1.2）時的試驗篩選時間（一般為2h~48h）。8.1.2快速篩選按照與摸底試驗相同的電壓及溫度，以及摸底試驗所確定的試驗時間，對同族器件進行快速篩選，篩選步驟如圖3所示。4DB13/T5696—2023圖3基于高溫反偏試驗的GaNHEMT射頻功率放大器篩選簡化流程圖a)根據(jù)GaNHEMT射頻功率器件的封裝形式，選擇與封裝匹配的篩選夾具；b)通過計算機控制及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，設(shè)定相關(guān)篩選參數(shù)，包括t、VGS、VDS、VDS上升時間、VDS滯后時間、老化時間、采樣時間間隔（至少小于1min）等參數(shù)；c)在設(shè)定好的溫度、VGS、VDS條件下，將被測器件進行規(guī)定時間的高溫反偏篩選。在篩選開始時，首先確認所有被測器件與篩選夾具接觸良好，之后開始記錄篩選數(shù)據(jù)，所記錄的數(shù)據(jù)為被測器件在整個篩選過程中的IG及ID，按照采樣時間間隔記錄多組不同時間的電流數(shù)據(jù)；d)篩選結(jié)束后，首先等待系統(tǒng)降溫至50℃以下將被測器件從篩選夾具中取出，再將數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)按照公式（1）、公式（2）、公式（3）計算，并生成所需數(shù)據(jù)Rid、RCid、8.2數(shù)據(jù)處理分析數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)為試驗過程中多個時間點被測器件的柵極電流及漏極電流值，而判據(jù)中的Rid、RCid、RCig需要將電流數(shù)據(jù)處理后才能進行篩選，處理方法如下：式中：Rid——被測器件漏極電流指定時間段內(nèi)的增長速度；Idf——被測器件漏極電流在篩選結(jié)束時的數(shù)據(jù)；ID——被測器件的在篩選結(jié)束前5min~10min的漏極電流。式中：RCid——被測器件漏極電流在篩選初始時的數(shù)據(jù)與被測器件漏極電流在篩選結(jié)束時的數(shù)據(jù)的比值；Idi——被測器件漏極電流在篩選初始時的數(shù)據(jù)；Idf——被測器件漏極電流在篩選結(jié)束時的數(shù)據(jù)。式中：5DB13/T5696—2023RCig——被測器件柵極電流在篩選初始時的數(shù)據(jù)與被測器件柵極電流在篩選結(jié)束時的數(shù)據(jù)的比值；Igi——被測器件柵極電流在篩選初始時的數(shù)據(jù)；Igf——被測器件柵極電流在篩選結(jié)束時的數(shù)據(jù)。9判據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果對器件進行篩選剔除，出現(xiàn)以下五種結(jié)果之一即為不合格：a)無數(shù)據(jù)。ID及IG在整個篩選過程中任意一個值出現(xiàn)為0的情況；b)IG超限。IG在整個篩選過程中任意一個值超出指定門限，門限一般為被測器件產(chǎn)品手冊所規(guī)定的最大柵極電流；c)Rid超限。漏極電流的增長速率超出指定門限，門限一般為105%~110%；d)RCid、RCig異常。被測器件的RCid及RCig與其他同批次器件明顯存在差異或數(shù)值離群，離群的判據(jù)一般按照3σ原則進行判斷。10試驗報告試驗報告應(yīng)包含以下內(nèi)容：a)依據(jù)本文件；b)樣品信息，包括樣品編號；c)篩選環(huán)境，如溫度和相對濕度；d)所使用的儀器、設(shè)備的型號、編號；e)Idi、Idf、Igi、Igf、ID的測試原始數(shù)據(jù)；f)Rid、RCid、RCig的計算結(jié)果；g)篩選日期、篩選人員。6DB13/T5696—2023（資料性）電壓控制及電流采集模塊電路電壓控制及電流采集模塊電路原理圖如圖A.1所示，電路由運算放大器、采樣電阻、限流電阻與被測器件共同組成。圖A.1電壓控制及電流采集模塊電路原理圖圖A.1為電壓控制及電流采集模塊電路原理圖。每只被測器件的柵源電壓均由獨立的運算放大器提供，這樣設(shè)計的目的在于可根據(jù)每只被測器件的柵極電流及柵供電通路的總電阻計算出被測器件柵引腳處的柵源電壓，并將此柵源電壓與設(shè)定柵源電壓進行比較，差值可由控制系統(tǒng)進行自動補償，使得加載在被測器件引腳處的柵源電壓一直保持為設(shè)定值。7DB13/T5696—2023參考文獻[1]GJB128B-2021半導體分立器件試驗方法[2]GJB548C-2021微電子器件試驗方法和程序[3]GB/T4