集成高功率探针台

日益增长的耗电量

系统，汽车，消费电子产品，便携式电子产品以及与物联网的新连接对能源效率的更大需求正在持续推动功率半导体设备的发展，同比需求创历史新高。

因此，世界各地的公司和代工厂正在提升功率产品的测试能力，涵盖了研发，高性能产品的生产以及量产。下一代的功率产品也在被快速的研发，以实现减少成本及支持不断增长的广泛应用需求。

根据行业报告，电力电子设备中68％的功率器件在2017年用于低压应用（<900 V）。剩余的功率器件部分（32％）在发生显著增长的情况下，按电压不同被分成如下等级：中等（1 - 1.9 kV），高（2 - 3.3 kV）和非常高（> 3.3 kV）电压应用。 *

电动车辆和运输工具是功率半导体器件/模块的使用正在扩展的两个领域。在高温（300 - 400°C）下需要处理更高的电流（200 - 400 A）和更高的电压（3.3 - 10 kV），以满足新的可靠性和性能规范。这需要广泛的产品特性的研发和生产测试的开发。

工程师面临的一个关键挑战是在片测试而不是封装测试。 FormFactor已经在在片功率半导体产品测试中发挥了重要作用。

新时代的新材料

目前，98.7％的功率半导体产品是使用硅衬底材料制造的。然而，存在从Si到宽带隙衬底材料（GaN和SiC）的转变，这有望实现功率器件性能的显著提高。在未来四到五年内，预计这些材料的使用量将增长3.9％（17亿美元）。*

通常，SiC和GaN高功率半导体可以在更高的温度下工作并且具有更高的效率。具体而言，用于更快的切换的GaN以及用于更高温度的SiC的研究和开发是有意义的。支持更高工作温度的产品可以提高可靠性，如用于电动车辆；而支持更快切换的产品则可以降低功耗。基于GaN和SiC的产品都可以比基于Si的产品更小，以便于其封装到更小的消费产品中。

虽然GaN和SiC功率半导体（横向和垂直结构）的在片测试方法与Si产品类似，但这些新型宽带隙产品需要扩展的测试能力。

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* Source: Power GaN report, Yole Développement, 2018

何时必须简化测试复杂性

功率半导体产品通常用作功率电子电路中的开关或整流器。这些通常被称为电源设备，电源IC和电源模块。一些常见的功率器件包括功率二极管，功率MOSFET和IGBT（绝缘栅双极晶体管）。

当工程师和设计师开发下一代产品时，他们需要在测试期间收集关键参数。其中包括以下功率半导体器件参数：

击穿电压
低漏电@高压
导通电阻RDS（on）*用于高电流
切换的上升和下降时间
安全工作区（散热和“闩锁效应”）
热阻

然而，当在晶片上而不是封装内测试Si和先进的GaN / SiC产品时，研发工程师和测试人员面临的主要挑战是采集高精度的数据。其要求在高压下的防电弧能力，高电流下探针与晶圆的低接触电阻以及减薄的晶圆的处理能力。简而言之，“快速获取精确数据”要求快速而简单的完成对复杂高功率器件测试系统的设置。并且，始终关注人员与器件的安全。

*“RDS（on）”代表MOSFET中的“漏极 - 源极导通电阻”。

挑战

高电压防电弧
通常，当测试晶圆上的高电压时，探针之间将存在放电（电弧），这也发生在DUT（被测器件）和相邻器件（垂直布局）或其他测试pad（横向布局）之间。此外，在高于1000 V的电压下，晶圆载物台和周围探针台之间可能发生电弧放电。

探针与器件的低接触电阻
实现精确高电流测量的另一个关键挑战是尽可能降低探针与器件的接触电阻。这将确保可以在晶圆上测量到器件的完整性能，并与封装器件性能完全一致。这使得用于终端的应用电源模块的已知良好芯片（KGD）的成本显著降低。

晶圆和载物台之间的均匀接触和热阻
为了获得晶片上每个器件的准确数据，重要的是在晶片背面和卡盘顶面之间具有均匀的物理接触。首先，这可以通过确保从器件产生的全部热量远离每个器件来分散热误差，而不管晶片上的器件位置如何。其次，对于卡盘作为电触点之一的垂直器件（如IGBT），这可实现超低接触电阻 - 这是克服RDS（on）非开尔文测试的电阻误差的关键需求。只有解决了这两个挑战，才能在测试数据中看到每个设备的最大性能。

电路设计师的精确器件模型
产品特性分析工程师面临的挑战是同时满足测量高电压/高电流的能力和精确的低漏电性能，以创建完整的器件模型。这将有助于电路设计人员优化其功率IC设计，以实现最大的商业价值。平衡高电压/电流切换与在不工作时（断开状态）器件功耗是这项工作的重点。

FormFactor与关键设备制造商一起解决了这些测试挑战，并继续为行业提供准确数据和降低测试成本的保证解决方案。