提高二極管芯片測試準確度分析

寧慧

（天水華天電子集團，甘肅 天水741000）

1 引言

天水華天電子集團生產的厚膜電路應用了大量的二極管芯片，在二極管芯片測試之前，需要對其進行封裝后再送檢測試。通常情況下，二極管的測試數據中有一部分芯片測試VF數據與國外先進半導體公司的數據有微小的偏差，例如，SBD肖特基二極管芯片SC090H045A，測試條件為VF1＜0.60V，IF=6A，+25℃；VF2＜0.73V，IF=12A，+25℃，國外半導體公司出廠的測試數據為VF1＜0.6V，VF2＜0.73V。通過分析測試數據和改造后的測試數據，可以計算出VF1 的測試誤差是29.8mV,VF2 的測試誤差是74.6mV，前后測試準確度提高了4.9%。在這多次驗證過程中，針對誤差原因，在測試方法和封裝鍵合上進行多次改動與驗證，最終確定造成最初的測試數據誤差的原因。

首先，要求測試設備必須符合開爾文四線制測試法，測試設備的四根線（具備開爾文測試法的設備）必須是獨立的并且和測試器件的引腳相連，測試用電流和電壓取樣不走同一根線，即四端子檢測（4T 檢測，4T ensing）、四線檢測或四點探針法，它是一種電阻抗測量技術，使用單獨的對載電流和電壓檢測電極，相比傳統(tǒng)的兩個終端（2T）傳感能夠進行更精確地測量。開爾文四線檢測被應用于一些歐姆表和阻抗分析儀，并應用在精密應變計和電阻溫度計的接線配置。四線檢測的優(yōu)點是分離的電流和電壓的電極，消除了布線和接觸電阻的阻抗。同時，一定保證測試設備的四根線是獨立的和測試器件的引腳相連，測試用電流S 端和電壓F 端不是同一測試源。

其次，要求芯片封裝的鍵合引腳也配合開爾文測試，雖然都是開爾文測試手法，但用在測試系統(tǒng)臺和二極管芯片自身鍵合引腳是不一樣的，同時滿足可以提高芯片測試數據的準確度，就單在測試系統(tǒng)臺上的實際操作而言，還是會存在各式各樣的偏差，所以可以采用同時將芯片鍵合絲配合為四點鍵合，從原芯片封裝TO-257 可伐材質兩根引腳改為三根引腳的封裝方法。

再次，在測試時將封裝引腳盡可能地與測試插座接觸，增大測試接觸面積，減小誤差。如果接觸面積小，電阻相對增大，對測試數據VF 的測試值偏大，所以要盡可能地插入測試插座，接觸面積大，則VF 最終測試值誤差小，

最后，要避免測試時溫度的變化，溫度變化可導致VF 測試值不穩(wěn)定，絕大部分二極管芯片的VF 具有負溫度系數，也就是說溫度越高，VF 越低。其中，肖特基二極管最為顯著，溫度升高，VF 正向壓降減小，IR 反向漏電流增大，詳見表1和表2。

在實際測試VF 的作業(yè)過程中，有時候需要比較大的電流（幾毫安到幾十安培），芯片會在測試過程中有明顯的溫度上升，因此，在測試時要重點監(jiān)控溫升，并要求每一次測試的條件一致，只有這樣測試數據才會準確。

2 測試所需設備簡介

STS 2103B 半導體分立器件測試系統(tǒng)用于三極管、二極管、場效應管、光電耦合器和可控硅等分立器件的測試。系統(tǒng)測試原理符合國標、軍標和相關行業(yè)標準，功率參數嚴格按照300us 測試方法，確保將器件溫升影響控制到最小。16 位驅動與測量分辨率經過系統(tǒng)精密校準，驅動與測試準確度更高。電壓的驅動與測量準確度達到了0.05%(Fs)，電流的驅動與測量準確度達到了0.1%(Fs)。使用操作簡便、測試數據準確、運行穩(wěn)定。軟硬件鉗位保護是一種測試安全可靠并采用菜單填表式的編程模式，提供各類型典型器件測試模板，提供豐富的測試適配器及通用的多陣列測試適配板，支持多達8 個單元的二極管、三極管陣列的測試，支持多路普通與高速光耦的測試（選配）。采用四線開爾文插座測試貼片器件，確保準確度和穩(wěn)定性滿足測試要求。

表1 SC070H150A 在25℃時的數據

表2 SC070H150A 在125℃時的數據

3 傳統(tǒng)測試方法介紹

測試臺是由STS2103B 分立器件測試系統(tǒng)、BX-1031A 半導體分立器件通用測試模塊、分立器件測試轉換器、分立器件測試適配器四部分組成，F(xiàn) 代表FORCE 激勵端，S 代表SENSE測量端，陰陽極各兩片獨立對載F 端和S 端，四片檢測是分離的電流和電壓的電極，形成開爾文測試，減小了阻抗，降低了VF 測試誤差。

4 鍵合的方法改進與鍵合改變的測試轉換器開發(fā)

4.1 鍵合的改進測試方法

圖1 改進前鍵合方法

圖2 改進后鍵合方法

改進前鍵合方法如圖1所示?？梢钥闯? 引腳懸空，2 引腳接地外殼，3 引腳鍵合5 根80μm 的硅鋁絲，這種超聲錫焊鍵合方法通用于生產線上，陽極是5 根硅鋁絲引線鍵合芯片基板焊盤上，陰極接地外殼。改進后鍵合方法如圖2所示。陽極分F 端和S 端分別連接到不同的引腳，左右各一根250μm（250μm 的硅鋁絲承受過電流比80μm 的硅鋁絲大，電阻較小，電流流過時發(fā)熱較?。梢院苊黠@地看出，這種鍵合方式是將F 端和S 端單獨分開，再插入測試座測試，這樣使封裝后的二極管芯片引腳以開爾文的方式接入測試系統(tǒng)。

系統(tǒng)測試線路本身也滿足開爾文式測試原理，芯片封裝引腳也符合開爾文式原理測試。因此，在整個測試過程中，電阻最小，電流承受最大，測試出的VF 數據更準確。

4.2 轉換器制作

為了配合新鍵合二極管芯片引腳的改動，必須與制作的特殊測試轉換器匹配才能測試，將STS 2103B 測試系統(tǒng)臺測試轉換器的E 和C 兩極轉換連接在TO-220 測試座的E 和C位上。

4.3 測試數據驗證對比

把改動前和改動后的測試數據進行對比，可以發(fā)現(xiàn)VF 測試參數的變化，由于改動后的測試方法大大降低了電阻，F(xiàn) 端和S 端互補干擾，分離了電流和電壓的電極，消除了布線和接觸電阻的阻抗，因此，與傳統(tǒng)的方法相比，大大提高了測試準確度，按測試數據可計算出在常溫+25℃下，提高的測試準確度約為15%，在低溫-55℃下，提高的測試準確度約為14%，在高溫+125℃下，提高的測試準確度約為27%。

5 結語

在二極管芯片測試時，VF 這個參數造成的損耗占了二極管損耗的大部分，甚至絕大部分，這也是判斷二極管性能高低的一個重要的參數。在提高測試準確度過程中，主要針對測試方法和封裝鍵合進行了多次改動與驗證，最終確定測試數據誤差出現(xiàn)的原因。測試設備必須滿足開爾文測試法，二極管芯片引腳滿足開爾文測試法，此外，測試時注意不能溫升等各種環(huán)境要求和測試時接觸測試座的面積大小等均是導致測試數據出現(xiàn)誤差的主要原因。滿足這些要求則大大提高了測試準確度，更大限度地減少誤差，芯片的良率增大，使用率增多，提升了經濟效益，同時，保證了測試測值的穩(wěn)定性，有利于質量的管控。