原创 测试程序对晶体管的影响

问题的提出：我公司在封、测一款NPN晶体管D882时，出现异常。现象是封装的成品D882存在测试筛选不净的情况，第一次测试时合格的成品，第二次测试时有部分失效，表现为CE、CB短路，第二次合格的再进行第三次测试时又有部分失效。测试合格的成品再进行一次测试后，总有失效，出现筛选不净的现象。因封测厂家的分析手段有限，就把失效样品寄回芯片厂，进行失效分析。下面就是该公司工程师的分析报告。

对退回的失效样品失效管进行测试确认，发现CE大小电流都为短路，CB与EB大电流成电阻特性，电压增加到12V时击穿，且CB与EB的曲线完全相同，如下：

初期怀疑芯片表面间存在CE、EB之间被短路现象，而EB间虽然被短路，但存在一个较大的电阻，因此在随着电流的增大，电压不断增加，在电压到达EB的击穿电压时，EB发生击穿。由于C与E短路，当然测试时会发生BVCBO的曲线与BVEBO相同。因此对失效管进行去掉塑封料，观察芯片表面及打线等有无异常，结果芯片表面并没有发现异常的情况。此时再进行测试，发现特性方面与解剖前并无任何区别，因此排除了打线引线短路的可能，后又进行了去AL，再次进行测试，特性还是与解剖前无区别，同时芯片表面以然未发现任何异常。

至此可以肯定短路生在芯片内部，结构上发生此种击穿特性的情况只可能为基区被发射区穿通或者基区有一个较好的导电通道，才会出现。一般封装很难造成此种情况，同时在封测厂首次测试时合格，但也有一部分失效，重复测试时又发生失效，因此怀疑封测厂的测试有问题，而芯片抗不住其测试而被烧毁，也是可能的原因之一。联系封测厂了解情况，得到的答复是：测试只是常规的参数测试，并无特殊之处，同时相同的测试设备及方法，其他公司芯片封装成品并无测试失效的情况。但客户所提供的样品，我司按封测厂所提供的测试程序进行测试，确实存在测试后失效的情况。对此，做了如下的测试工作：

1.仔细观察测试的程序，与我司的测试并无大的区别，本公司封装的相同产品（D882），也有同样的现象。仔细逐项排除，发现只有在增加测试饱和项目时才发生失效的情况。饱和的测试条件为IC=2A，IB=0.2A，而我们平常测试饱和时，一般设置为IC=2A，IB=200mA，，而联系此前在测试HFE时，IC设置500mA与0.5A，测试值有一定区别，为此进行了两种测试条件的比较，发现只有测试条件设置成IB设置0.2A时才会发现失效，且有个别管子要多次测试才会失效，而设置200mA时正常，多次测试也无失效。因本公司封装的成品为正常批次，从没出现异常。故基本排除产品本身的问题。

2.测试的方法或者条件本身应无问题，最大的可能在与设备的测试过程，设置0.2A与200mA设备上有一个测试量程及精度的不同，因此怀疑IB设置0.2A时，测试的过程应产生了一个脉冲烧毁了管子。

3.进一步对多种饱和测试条件进行确认，发现IC设置不变，IB增加到0.5A电流后，测试不再烧毁，同时降低测试的IC、IB电流到某一电流时也不再发生失效，比如IC=1A，IB=0.1A。也就是只有IC与IB的电流再某一组合的范围内时，测试才会发生烧毁现象，而在此之外正常。

4.对我司的现有的相似品种采用相同的饱和测试条件（一组IC与IB的组合）均无无此现象出现.但对D882的两种封装（TO-126与TO-92）进行测试，都有测试饱和失效的情况。而其它芯片厂相同产品则没有出现这种情况。

总体来说，我司只有D882有此种情况，且圆片测试正常，只有在成品测试时才有此现象。不同TO-126与TO-92封装都有测试烧毁情况。但在另一次测试时发现，采用另一套测试引线及夹具时，测试未有失效情况。综合分析得出饱和测试导致晶体管失效的几个相关条件：

a.     N管成品测试才有。相同的测试条件其他公司的成品暂未出现失效情况。

b.     IC与IB的测试电流要在某一组合时，才会发生失效，并且只有IB电流设置为安培量程时才会发生失效。典型情况：饱和测试条件IC=2A、IB=0.2A失效，而IC=2A、IB=200mA正常。

c.     与测试设备到测试夹具的引线及夹具相关，在采用某种引线与夹具时才会发生失效。

从失效的模式看，失效原因为过功率或者过电流使得CB、EB结烧毁短路。为此与测试设备厂家联系，询问此种造成此种现象的原因，对此厂家的工程师给予的答复为：测试时，确实会存在此种情况，原因为如下：

首先，饱和测试时，测试的电流IC与IB是由零开始逐步增加，在电流增加到设置值时再测量相应两端的电压。以IC=2A、IB=0.2A为例，电流的波形如下：

而IC、IB的电流到达设置前的波形是由设备的调试电路有关，不同的量程精度时，比如IB设置0.2A与200mA时，电流的输出波形有一定的区别，且其与测试的负载有一定的关联，负载包括引线及夹具、测试样品，当负载不同时，也会使得输出波形有差异。IB设置为0.2A时，相比200mA，其波形相比200mA上升到最大电流的时间点相对滞后，并且由于量程大的原因，更容易受到外部负载的影响。饱和测试时，理想情况下，IC、IB同时按比例增加，并且两者的比例一直使得测试**管处于饱和工作状态，直到电流到达设置值，这时检测相应的两端电压，读出饱和值。如果IB设置0.2A时，出现如图所示的波形，在红色虚线的时间点，IC达到最大值（输出电流相比设置值会有一定过冲），而此时IB电流却没有到达最大值，还处于较小的电流，根据三极管的参数特性，此时三极管有可能工作在放大区，而不在饱和区，如IC比IB的比例过大时，CE间的电压将会比较大，想象一下，如果IC=2A，而因为IB的电流过小，CE电压有可能较大，比如10V，此时晶体管的耗散功率将达到20W，远远超过了被测试晶体管的极限功率，完全可能发生烧毁现象。对此，厂家技术人员建议测试时，合理选择测试的量程，比如电流0.2A时就应该设置成200mA，以使测试电流的输出波形更为匹配，波动更小，同时达到最佳的精度，同时可以在外部的连接线上加上磁环，提高抗干扰性，使得输出波形受负载的影响减小到最少。

考虑到在测试D882的饱和时，IB与IC的输出波形及其它公司的芯片在相同的条件下没有出现失效，因此就进行了对比试验。因按我司D882饱和测试条件设置为IC=2A、IB=0.2A会烧毁失效，影响检测到的输出波形，因此我们把测试的条件电流减小到IC=1A、IB=0.1A，该条件我司D882测试后正常，并且多次测试的输出波形均相同。因此检测饱和测试条件IC=1A、IB=0.1A的输出波形，也能够说明设置IC=2A、IB=0.2A时的输出波形情况，以下为检测的波形对比情况：

说明：饱和Vbesat测试时，测试时间为1ms，IB与IC输出波形中X轴每一大格为200us，而Y轴IB输出波形每一大格为电流0.1A，IC输出波形每一大格为电流1A。对于输出波形有正反两个电流脉冲，目前暂不清楚其测试的过程，注意到两个脉冲的间隔时间正好为测试程序中的测试时间（测试时间变化时，两波峰的间距也相应调整），并且不管是IB设置100mA还是0.1A，最终的饱和测试值偏差在5mV以内，因此认为饱和电压的测试点位于后一个脉冲波峰处，而前面的一个脉冲波峰可以理解为为后续的测试脉冲做准备，这点需要向测试设备厂家求证。

IC=1A、IB=100mA时IB输出波形	IC=1A、IB=0.1A时IB输出波形
上图：我司芯片在Ic=1A测试Vces时，Ib采用不同量程语句时，测试设备Ib的输出波形
IC=1A、IB=100mA时IC输出波形	IC=1A、IB=0.1A时IC输出波形
上图：我司芯片在Ic=1A测试Vces时，Ib采用不同量程语句时，测试设备Ic的输出波形
IC=1A、IB=100mA时IB输出波形	IC=1A、IB=0.1A时IB输出波形
上图：其它公司芯片在Ic=1A测试Vces时，Ib采用不同量程语句时，测试设备Ib的输出波形
IC=1A、IB=100mA时IC输出波形	IC=1A、IB=0.1A时IC输出波形
上图：其它公司芯片在Ic=1A测试Vces时，Ib采用不同量程语句时，测试设备Ic的输出波形

从波形图上可看到，IB设置0.1A时IB、IC的输出波形相比IB设置100mA是有较大的区别，IB设置100mA输出波形较为稳定平滑，并且最大电流与设置值相等，无过冲现象。而IB设置0.1A时，输出波形在第一个波峰处均有大幅的过冲现象，且波形抖动较为厉害，而第二个波峰处的波形较为稳定，并且无过冲，且与设置100mA的波形基本相同。值得注意的是在相同的测试条件下，我司D882芯片与其它公司的同种产品，测试仪输出IC、IB时，其输出波形相差较大，幅度也不相等：我司的IC最大过冲到2.8A，IB最大过冲到0.22A，而其它公司的IC最大过冲只到2.2A，IB最大过冲只到0.16A，因此可以判断我司D882在饱和测试时，测试条件设置为IC=2A、IB=0.2A时烧毁，而设置为IC=2A、IB=200mA时正常的原因为IB设置为0.2A时，IC、IB的测试电流脉冲过大，超过了芯片的极限。而其他公司的管子测试电流的脉冲相对较低，因此没有发生烧毁（相同设备不同管子输出波形不同，其原因前面已经有说明），这从我们的设置条件降低到IC=1A、IB=0.1A时，测试也正常也说明了该点。我们在测试设备的说明书中也看到，厂家也建议测试程序设置时注意测试单位的选择，并且程序设置0.2A时也提示是否转换为200mA。IB设置0.2A时测试电流发生的过冲现象其实是的芯片的冲击是破坏性的，有可能测试为损坏，但是其损伤可能存在，势必会成为使用过程中的隐患。因此我们需向客户解释，饱和测试时，IB设置为0.2A，不是最佳设置，在某些情况下会损坏，损坏的原因不是质量问题，而是测试条件不匹配，造出测试电流过大而损坏。

以上的测试，是D882在降低测试电流时，测试设备的输出波形。考虑到D882的实际测试条件，故又进行了Ic=2A，Ib=200mA、Ib=0.2A的测试情况对比。

下图：我司芯片在Ic=2A测试Vces时，Ib采用不同量程语句时，测试设备Ib的输出波形
IC=2A、IB=200mA时IB输出波形（每格0.1A）	IC=2A、IB=0.2A时IB输出波形（每格0.1A）
下图：我司芯片在Ic=2A测试Vces时，Ib采用不同量程语句时，测试设备Ic的输出波形
IC=2A、IB=200mA时IC输出波形（每格1A）	IC=2A、IB=0.2A时IC输出波形（每格2A）
IC=2A、IB=200mA时IB输出波形（每格0.1A）	IC=2A、IB=0.2A时IB输出波形（每格0.1A）
上图：其它公司芯片在Ic=2A测试Vces时，Ib采用不同量程语句时，测试设备Ib的输出波形
IC=2A、IB=200mA时IC输出波形（每格1A）	IC=2A、IB=0.2A时IC输出波形（每格2A）
上图：其它公司芯片在Ic=2A测试Vces时，Ic采用不同量程语句时，测试设备Ib的输出波形

在以上的波形中，可以看到Vbesat测试语句设置IC=2A、IB=200mA时，我司D882与其它公司D882的IC、IB波形基本相同，都较为平滑无过冲现象。但当设置语句为IC=2A、IB=0.2A时，我司D882的IC最大过冲达到10A，IB过冲到0.6A，而其它公司D882的IC最大过冲到6A，IB过冲到0.64A。可以看到我司芯片的IC过冲的幅度远大于其它公司，最大的过冲幅度超过值达到4A，而同期的IB我司的最大过冲反而较小，这样就使得测试Vbesat时，我司D882的饱和程度远远低于其它公司的芯片。因晶体管在大电流下的HFE衰减严重，在IC=10A，IB=0.6A的条件下，三极管远远未到达饱和状态，也就是说，此时三极管实际处于放大工作区，造成实际的VCE电压非常高，而三极管的输出功率近似等于VCE电压×IC电流，输出功率将会非常大，而Vbesat测试值的测试点是位于后一个输出波形。从波形上可以看出IB设置0.2A与200mA时，后一个输出波形基本相同,并且无过冲现象，这也是IB设置0.2A与200mA时，最终的Vbesat测试值基本相同的原因。

综上所述，可以肯定D882饱和测试设置条件为IC=2A，IB=0.2A时，会烧毁成管。原因是：为设置IB=0.2A时，由于测试的量程改变，IB电流的输出波形容易受到负载的影响而发生改变，使得在饱和测试过程中的起始电流上升阶段，三极管不一定完全处于饱和状态，当发生IC电流较大，而IB过小时，三极管将工作在放大区，此时的CE电压将会较高，同时由于IC电流较大，总的测试输出功率大于三极管的极限承受功率而被烧毁。而P型成管或N型圆片及其他公司的成品，在相同条件下没有失效，是因为晶体管内引线的电感、结电容等特性并不完全相同，使得对测试电流输出的波形影响也不相同。这在我们更换一根测试线后就正常，也说明了此点。这不是产品的质量问题，而是与测试设备在某种测试量程时，因设备的输出电路与负载失配，而导致的一种特例。

**微电子有限公司设计所

陈晓伦

附注：我做服务工作中，也经常写一些失效分析报告。因工作关系，也经常看一些供应商的失效分析报告。在我所见到的失效分析报告中，这篇分析报告是写得最有水平的。其分析流程、思路等非常清晰，所给出的结论，令人信服。我把此文推荐给大家，是想通过此文，让大家知道两件事，其一：介绍失效分析的思路。也就是在工程中我们所碰到一些问题时，应该从哪些方面进行考虑，着手分析。其二：任何情况下，只谈测试设备的指标是没有意义的，只有连上被测部件，使之成为测试系统后，再谈指标，才有实际意义。