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。系統測試原理符合國標、軍標和相關行業標準，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 傳統測試方法介紹

測試臺是由STS2103B 分立器件測試系統、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 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

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。可以看出1 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，電流流過時發熱較小），可以很明顯地看出，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。

系統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，可以發現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 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定性，有利于質量的管控。