一種MOS管自動功率老化測試系統的設計

楊修杰, 尹保來, 肖 鵬, 劉浩峰

(中國測試技術研究院，成都 610021)

0 引言

隨著科技的不斷進步，電子技術的應用使智能化和自動化已成為我國人民日常生活的一部分。由于其應用的廣泛性，使用過程中如果發生大面積故障將造成無法估計損失，其可靠性要求不斷提高。半導體器件作為電子設備的核心，其可靠性尤為重要。但是半導體器件制作工藝復雜性以及其壽命特點(浴盆失效概率)，很難從外觀上檢測其好壞[1]。特別是對于有大功率輸出的電子產品，功率器件在輸送功率的同時，器件本身也要消耗一部分功率，這部分功率直接表現在使器件溫度升高，當溫度升高到一定程度，就會使器件燒壞。器件的生產過程中涉及諸多環節，實際使用過程中在溫升作用下難免發生故障，因此在可靠性要求高的場合，應該利用半導體器件的浴盆效應，對驅動器件進行老化篩選，在產品設計生產前針對半導體器件的功能及使用場景進行老化測試，評估其質量，提前將有問題的器件篩選出來，提高電子產品的可靠性。針對MOS管類功率器件，設計了一套極限結溫自動老化測試系統，根據MOS管的結溫控制輸出電流的狀態，實現被試MOS管的可靠性測試[2]。

1 測試原理

1.1 老化方法選擇

功率器件工作過程中自身消耗的功率直接體現在產生熱量，升高結溫，如果器件內部結溫與外部環境溫度存在溫差，熱量擴散到外部空間，傳遞過程會有阻力，定義為熱阻，熱阻與環境溫度、結溫、和耗散功率有關，具體為：

(1)

其中:RT為熱阻，單位為℃/W；Tjm為最高允許結溫；Ta為環境溫度；Pcm為環境溫度為Ta時，器件允許的最大耗散功率。

熱阻對功率器件的使用影響較大，熱阻越小，器件PN結所能承受的耗散功率越大，設計中一般需要對熱阻進行仔細計算。當功率器件殼體上裝有散熱片使用時，RT由三部分組成，RT=Rjc+Rcs+Rsa，Rjc為結殼間熱阻；Rcs為晶體管外殼與散熱器間的熱阻；Rsa為散熱器與環境間的熱阻，熱阻一般較小。當功率器件不裝散熱片使用時，RT=Rja，Rja為結與環境間的熱阻，一般較大。Rjc、Rcs和Rja在器件手冊中會給出[3]。

通常的器件老化方法的是采用穩態工作壽命法，具體為使器件工作在一定環境溫度下，對其持續施加對應的Pcm，試結溫到達Tjm。變換公式(1)為：

(2)

其中:RT對于特定器件手冊中一般會給出。以公式(2)為基礎計算老化參數，完成老化工作。另外研究表明，功率管達到某一累計失效概率F(t)的時間t和功率管結溫Tj的關系滿足方程[4]：

Ln(t) =A+B/Tj

(3)

式中,A，B為常數，Tj為結溫。由公式(3)可知，Tj與器件的壽命有直接的關系。所以依據公式(2)為基礎計算老化參數應該是一種比較理想的老化方法，但是由于半導體器件的熱阻并非常數，器件手冊中給出的熱阻值是在一定條件下測試獲得，另外器件手冊給出的熱阻值一般會大于實際的熱阻值，通過公式(2)是無法準確計算出Tj，Tj是否在Tjm附近未知，無法實現在Tjm條件下對器件進行老化的目標，試驗方法存在一定的缺陷。針對該缺陷設計了一套新的老化方法，通過實時測量Tj，在一定的功率下運行，使Tj維持在Tjm附件，實現對受試MOS管的全面老化。

1.2 結溫測量

測量Tj比較直觀的方法是預置溫度傳感器直接測量法和紅外熱像法[5]。但是目前預置有溫度傳感器的成品器件幾乎沒有，直接測量無法實現；對于紅外熱像法，由于器件封裝材料具有一定的熱阻，紅外熱像法只能測量未封裝的器件，不能測量成品器件。為了能夠準確測量Tj，需要有新的測量Tj的方法[6-8]。試驗表明MOS管在導通狀態下，其導通電阻RDS(ON)與Tj存在一定的關系，Tj越高RDS(ON)越大。圖1為MOS管IRFB4019歸一化RDS(ON)與Tj的關系曲線，圖中可以看到在25～175 ℃范圍內，兩者接近線性關系。對歸一化RDS(ON)與Tj關系線性化處理，通過測量RDS(ON)即可推斷Tj，老化過程中可以實時測量RDS(ON)，最終確保Tj盡量接近Tjm。

圖1 歸一化RDS(ON)與Tj關系曲線

2 系統設計

2.1 系統結構

為了節約能源，被試器件不加散熱器進行老化測試。自動老化測試系統由人機交互接口單元、電源系統和老化板三部分構成。根據需要擴展老化板，實現多工位并聯測試，系統結構如圖2所示。

圖2 MOS管老化測試系統結構框圖

整個系統的分工為：1)人機交互接口通過RS485總線與老化板進行通信，實現老化數據的下載和老化狀態的實時顯示；2)電源系統采用可調電源為老化板提供工作電源，根據受試器件確定電源參數；3)為了保證實時性，每一塊老化板可以按要求自主負責一個受試器件的老化工作，并將老化狀況實時傳輸到人機交互接口。

系統設計了兩種工作模式，一種模式為恒定功率老化模式，受試器件在一定的功率下工作，Tj一直處在Tjm附近，老化時長根據需要可任意設定；另一種模式為循環加熱老化模式，受試器件在一定的加熱功率下工作，當Tj達到Tjm附近時，停止加熱，切換到測量狀態，當Tj降溫到某一設定值時再次啟動加熱功率，循環次數根據需要可任意設定[9]。

2.2 硬件設計

老化板是測試系統硬件的設計重點，其關鍵是測量MOS管的導通狀態RDS(ON)，結構框圖如圖3所示。

圖3 老化板結構框圖

當老化板處于恒定功率老化模式時，通過控制恒壓源(Vgs)，使受試器件處于導通狀態，恒流源1輸出恒定電流通過受試器件“漏極—源極”，使其結溫升高，通過AD2測量VDS(“漏極—源極”間電壓)，計算結溫Tj，最終使Tj達到Tjm附近。采樣電阻測量IDS(流過受試器件“漏極—源極”電流)，AD1測量采樣電阻兩端的電壓，計算IDS，此時受試器件的耗散功率為P=VDS×IDS，處理器實時計算受試器件的耗散功率，防止由于老化參數設置錯誤或其它原因，燒壞受試器件[10]。

當老化板處于循環加熱老化模式時，加熱過程與恒定功率老化模式相同，不同之處在于當Tj達到Tjm附近時，將流過受試器件“漏極—源極”間的電流由恒流源1切換到恒流源2，恒流源2電流值設置較小，主要為實時測量Tj而設置，對受試器件結的加熱作用可以忽略不計。隨著受試器件結溫的下降，當達到設定值后再次切換至恒流源1，如此循環加熱完成受試器件的老化。

老化板上的處理器負責3項工作，1)計算受試器件的耗散功率及結溫，根據計算結果及工作模式設置，控制電流源的切換；2)計算老化過程中器件的狀態，當出現故障時，終止老化，并報警指示;3)通過RS485總線方式與人機交互接口進行通信。

2.3 軟件設計

老化測試系統運行在PC端的管理軟件較為簡單，主要負責人機交互工作和數據存儲，所有測量計算工作全部由老化板完成。軟件運行開啟后，當被試MOS管的老化參數已知時，選擇“老化模式”，直接將老化參數下載到老化板中，由老化板自主完成任務，并將老化情況實時顯示在PC端。當不知道被試MOS的老化參數時，選擇“標定模式”，按照標定流程測試老化參數，當獲得老化參數后，在“老化模式”下完成MOS的老化工作[11]。

3 工作流程

3.1 參數標定

MOS管種類眾多，不同的型號的管子具有不同的參數，系統設計具有一定的通用性，對于一個新的型號MOS管進行老化時，首先需要對老化參數進行標定，確定老化參數。老化參數標定可以在任意一塊老化板上完成，當標定工作完成后，將標定獲取的老化參數下載到老化板，老化板自行完成老化工作。對于已知老化參數的MOS管可以不進行標定工作，直接開始老化。

3.1.1 恒定功率老化模式參數標定

首先依據公式(2)，確定在老化環境溫度Ta下，當Tj達到Tjm時，MOS管結允許的最大耗散功率Pcm；其次依據已線性化處理的受試器件歸一化RDS(ON)與Tj的關系曲線確定結溫Tj為Tjm時的RDS(ON)，根據P=I2R初步確定恒定功率老化模式的加熱電流IH1。由于手冊中給出的熱阻具有一定的條件性，非常數，Pcm為估計值，由此得出的IH1與最終的老化電流IH必然存在一定的差異，需要不斷調試獲取最終老化條件。將IH1作為老化參數下載到標定樣件上，當達到穩態后，觀察受試器件“漏極—源極”間的電阻值與Tj為Tjm時的RDS(ON)關系，適當調整加熱電流反復試驗，最終獲得老化加熱電流IH，使老化穩態后，受試器件“漏極—源極”間的電阻值與Tj為Tjm時的RDS(ON)接近。

3.1.2 循環加熱老化模式參數標定

循環加熱老化模式的參數標定過程與恒定加熱老化模式基本相同，不同之處在于加熱電流可以在IH1基礎上有較大的增加，增加量的大小可以根據循環快慢確定，但IH的最大值不應超過器件的安全工作電流。IH的最終值也需要反復試驗，明確截止加熱條件。

3.2 老化測試

老化測試主要由老化板根據運行在PC端的管理軟件下載的老化參數自主完成，老化板內置MOS管失效判斷條件，當出現被老化MOS管在未完成老化的情況下已失效時，中斷有問題的受試器件的老化，并報警。管理軟件巡檢各老化板的運行數據并顯示，同時管理軟件具備終止老化權限。需要注意的是由于同一型號的MOS管的RDS(ON)存在一定的個體差異，如果對老化要求不高的情況下，可以引用手冊提供的典型RDS(ON)值計算所有受試器件的老化參數。當要求較高的情況時，需要對每個器件單獨參數標定。

4 試驗驗證

為了驗證老化測試系統的工作狀態，以MOS管IRFB4019為老化對象。IRFB4019的手冊給出25 ℃時RDS(ON)典型值為80 mΩ，Rja為62 ℃/W，在不加散熱器的情況下，通過公式(2)計算得IRFB4019的最大允許耗散功率約為2.5 W。依據線性化處理的歸一化RDS(ON)與Tj的關系曲線，175 ℃時RDS(ON)約為236 mΩ。根據功率計算公式獲得對應的加熱電流約為3.2 A。將3.2 A作為老化加熱電流，當結溫穩定后測得RDS(ON)為137 mΩ，顯然在25 ℃環境溫度下3.2 A電流不能將IRFB4019加熱到最高結溫(175 ℃)，驗證了現有老化方法Tj不能達到Tjm的缺陷。經反復調試，將加熱電流調整到3.8 A后，當結溫穩定時RDS(ON)在236 mΩ附近波動，接近175 ℃，符合老化需求。圖4為IRFB4019的參數標定曲線，標定結果可用于恒定功率老化模式下運行。

圖4 老化參數標定曲線

當測試系統處于循環加熱模式時，依據標定參數將加熱電流調整為5 A，VDS快速增大，老化板處理器經過運算實時測得RDS(ON)，計算Tj，當RDS(ON)在236 mΩ附近時，表明Tj已接近Tjm，此時關閉恒流源1，開啟恒流源2，使其流過受試MOS管，實時測量Tj，當Tj接近設定值60 ℃時，再次開啟恒流源1，關閉恒流源2，進行加熱，如此循環完成老化工作。圖5為IRFB4019在循環加熱模式老化的3個循環運行曲線。每個循環時長約為8 min,其中加熱時長約為1 min,冷卻時長約為7 min。

圖5 循環加熱老練曲線

5 結束語

環境溫度對MOS管的最大允許耗散功率有較大的影響，自動老化系統要求所有老化工作需在一個相對恒定溫度的環境中完成，老化工作對氣溫環境要求較高。在沒有恒溫條件的環境中，難以保證系統運行參數正確，系統的使用靈活性不夠，下一步將研究變溫環境的老化方法，確保在沒有恒溫條件下，老化測試工作也能夠安全完成。