DB13-T 5696-2023 基于高温反偏试验的GaN HEMT射频功率器件缺陷快速筛选方法

ICS31.080CCSL4013基于高温反偏试验的GaNHEMT射频功率器2023-05-06发布IDB13/T5696—2023前言 2规范性引用文件 3术语和定义 4文字符号 5筛选原理 26筛选条件 27筛选系统构成和要求 28筛选方法 29判据 510试验报告 5附录A（资料性）电压控制及电流采集模块电路 6参考文献 7DB13/T5696—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由石家庄市市场监督管理局提出。本文件起草单位：河北博威集成电路有限公司。本文件主要起草人：郭跃伟、王鹏、张博、王静辉、闫志峰、郝永利、王景亮、刘子浩。本文件为首次发布。DB13/T5696—2023GaNHEMT功率器件在生产过程中可能会存在一系列缺陷，例如介质缺陷、表面沾污、裂纹、沟道漏电以及局部发热点等，这些缺陷在使用初期不易被发现，而在长期使用中极易导致器件失效。用户使用过程中，尤其在单个模块或组件中使用多个GaNHEMT功率器件的应用场景下，单个器件的失效可能导致整个模块或组件失效或报废，因此对于GaNHEMT功率器件失效率要求更为严苛。高温反偏是在一定的温度下、对器件连续施加一定时间的高温直流反向偏置电应力，通过电热应力的综合作用来加速器件内部物理变化和化学反应过程，促使隐藏于器件内部的各种潜在缺陷在早期暴露出来，从而达到剔除早期失效器件的目的。通过在高温反偏过程中监测器件的电流变化特性，找出缺陷器件和正常器件的电流变化特性差异，达到可在较短时间内剔除存在早期失效风险器件的目的。特制订本文件。1DB13/T5696—2023基于高温反偏试验的GaNHEMT射频功率器件缺陷快速筛选方法本文件规定了基于高温反偏试验的GaNHEMT射频功率器件缺陷快速筛选的筛选原理、筛选条件、筛选系统构成和要求、筛选方法和判据。本文件适用于工业级GaNHEMT射频功率器件的快速筛选，GaNHEMT射频功率模块可参照使用。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1缺陷defect特指器件钝化层（或钝化层外）可移动或温度可激活或电场可激活的杂质。3.2漏极电流变化比draincurrentratioofchange被测器件在筛选初始时的漏极电流与被测器件在筛选结束时的漏极电流的比值。3.3栅极电流变化比gatecurrentratioofchange被测器件在筛选初始时的栅极电流与被测器件在筛选结束时的栅极电流的比值。3.4同族器件familydevice来自同一工艺平台，使用相同的材料、制造工艺、设计规则、封装结构以及相似电路的器件。4文字符号文字符号见表1。表1文字符号一览表IIIIR2DB13/T5696—20235筛选原理早期失效筛选就是要诱发潜在缺陷让器件提前失效，常规应用最广泛的筛选方法是高温反偏试验。在试验过程中，较高的工作温度、稍低于器件击穿电压的反向偏压，可揭示在器件钝化层及场耗尽结构的缺陷。快速筛选是通过在高温反偏过程中监测器件的电流变化特性，找出缺陷器件和正常器件的电流变化特性差异，从而实现在较短时间内剔除存在早期失效风险器件的目的。6筛选条件6.1温度：25℃±2℃;湿度：25%~75%，气压：86kPa~106kPa。筛选环境应无影响试验结果准确性的机械振动、电磁干扰或其他杂波干扰。6.2被测器件的筛选电压应为额定工作峰值反向电压的50%~80%，反向偏置直流电压的纹波应小于20%，环境或管壳试验温度通常为150℃。筛选时间根据摸底试验（见8.1.1）确定。7筛选系统构成和要求7.1筛选系统构成筛选系统的示意图如图1所示。各部分组成和功能如下：图1基于高温反偏筛选系统的示意图a)筛选夹具：确保被测器件与电压控制及电流采集模块稳定连接，计算机控制及数据记录系统通过筛选夹具完成电压控制模块对固定于夹具上被测器件的加电，及电流采集模块对被测器件栅极电流和漏极电流的采集，同时确保被测器件在筛选过程中温度可控；b)电压控制模块：控制试验过程中被测器件筛选电压的开启和关闭，应具备当出现个别被测器件失效时，不影响其他被测器件试验状态的功能。原理图见附录A；c)电流采集模块：准确采集被测器件的栅极电流及漏极电流并实时上传至数据记录系统。原理图见附录A；d)计算机控制及数据记录系统：用于设置筛选过程中的筛选参数、在筛选过程中监控筛选状态并保证与设置值一致、记录筛选数据、标记失效器件、系统异常告警或断电等。计算机控制及数据记录系统的搭建原则为能与电压控制及电流采集模块通信，并能控制电压控制模块，读取电流采集模块采集的电流值，通过控制烘箱温度等方法控制被测器件的壳温。7.2筛选系统设备要求7.2.1电压控制模块：保证加载到被测器件端的电压值与设置电压值偏差不超过±3%。7.2.2电流采集模块：电流分辨率最大为所检测电流的1%，精准度为显示值的±1%。7.2.3筛选系统所用的测量仪器应经过校准。8筛选方法8.1筛选步骤8.1.1摸底试验对于同族器件首先需进行摸底试验，从而确定快速筛选（见8.1.2）方法的筛选时间。试验条件：器件的试验电压及温度（见6.2），时间为48h。试验样本及试验步骤：试验步骤简化流程如图2所示。3DB13/T5696—2023图2基于高温反偏试验的GaNHEMT射频功率放大器摸底试验简化流程图a)摸底试验初始样本数量不少于1000只；b)根据GaNHEMT射频功率器件的封装形式，选择与封装匹配的筛选夹具；c)通过计算机控制及数据记录系统，设定相关试验参数，包括t、VGS、VDS、VDS上升时间、VDS滞后时间、老化时间、采样时间间隔（至少小于1min）等参数；d)在设定好的温度、VGS、VDS条件下，将被测器件进行规定时间的高温反偏试验。在试验开始时，首先确认所有被测器件与试验夹具接触良好，之后开始记录试验数据，所记录的数据为被测器件在整个试验过程中的IG及ID，按照采样时间间隔记录多组不同时间的电流数据；e)试验结束后，等待系统降温至50℃以下将被测器件从筛选夹具中取出；f)查询试验过程中的电流数据，将存在电流为零的器件定义为失效器件，出现电流为零对应的试验时间定义为失效时间；g)失效器件数量大于10只，摸底试验完成。如果失效器件数量小于10只，则重复进行列项a）~列项f），直至失效器件数量大于10只，摸底试验完成。确定快速筛选时间：统计摸底试验中所有失效器件的失效时间，将最长失效时间的2倍定为快速筛选（见8.1.2）时的试验筛选时间（一般为2h~48h）。8.1.2快速筛选按照与摸底试验相同的电压及温度，以及摸底试验所确定的试验时间，对同族器件进行快速筛选，筛选步骤如图3所示。4DB13/T5696—2023图3基于高温反偏试验的GaNHEMT射频功率放大器筛选简化流程图a)根据GaNHEMT射频功率器件的封装形式，选择与封装匹配的筛选夹具；b)通过计算机控制及数据记录系统，设定相关筛选参数，包括t、VGS、VDS、VDS上升时间、VDS滞后时间、老化时间、采样时间间隔（至少小于1min）等参数；c)在设定好的温度、VGS、VDS条件下，将被测器件进行规定时间的高温反偏筛选。在筛选开始时，首先确认所有被测器件与筛选夹具接触良好，之后开始记录筛选数据，所记录的数据为被测器件在整个筛选过程中的IG及ID，按照采样时间间隔记录多组不同时间的电流数据；d)筛选结束后，首先等待系统降温至50℃以下将被测器件从筛选夹具中取出，再将数据记录系统中的数据按照公式（1）、公式（2）、公式（3）计算，并生成所需数据Rid、RCid、8.2数据处理分析数据记录系统中的数据为试验过程中多个时间点被测器件的栅极电流及漏极电流值，而判据中的Rid、RCid、RCig需要将电流数据处理后才能进行筛选，处理方法如下：式中：Rid——被测器件漏极电流指定时间段内的增长速度；Idf——被测器件漏极电流在筛选结束时的数据；ID——被测器件的在筛选结束前5min~10min的漏极电流。式中：RCid——被测器件漏极电流在筛选初始时的数据与被测器件漏极电流在筛选结束时的数据的比值；Idi——被测器件漏极电流在筛选初始时的数据；Idf——被测器件漏极电流在筛选结束时的数据。式中：5DB13/T5696—2023RCig——被测器件栅极电流在筛选初始时的数据与被测器件栅极电流在筛选结束时的数据的比值；Igi——被测器件栅极电流在筛选初始时的数据；Igf——被测器件栅极电流在筛选结束时的数据。9判据根据数据处理结果对器件进行筛选剔除，出现以下五种结果之一即为不合格：a)无数据。ID及IG在整个筛选过程中任意一个值出现为0的情况；b)IG超限。IG在整个筛选过程中任意一个值超出指定门限，门限一般为被测器件产品手册所规定的最大栅极电流；c)Rid超限。漏极电流的增长速率超出指定门限，门限一般为105%~110%；d)RCid、RCig异常。被测器件的RCid及RCig与其他同批次器件明显存在差异或数值离群，离群的判据一般按照3σ原则进行判断。10试验报告试验报告应包含以下内容：a)依据本文件；b)样品信息，包括样品编号；c)筛选环境，如温度和相对湿度；d)所使用的仪器、设备的型号、编号；e)Idi、Idf、Igi、Igf、ID的测试原始数据；f)Rid、RCid、RCig的计算结果；g)筛选日期、筛选人员。6DB13/T5696—2023（资料性）电压控制及电流采集模块电路电压控制及电流采集模块电路原理图如图A.1所示，电路由运算放大器、采样电阻、限流电阻与被测器件共同组成。图A.1电压控制及电流采集模块电路原理图图A.1为电压控制及电流采集模块电路原理图。每只被测器件的栅源电压均由独立的运算放大器提供，这样设计的目的在于可根据每只被测器件的栅极电流及栅供电通路的总电阻计算出被测器件栅引脚处的栅源电压，并将此栅源电压与设定栅源电压进行比较，差值可由控制系统进行自动补偿，使得加载在被测器件引脚处的栅源电压一直保持为设定值。7DB13/T5696—2023参考文献[1]GJB128B-2021半导体分立器件试验方法[2]GJB548C-2021微电子器件试验方法和程序[3]GB/T4