一种碳化硅器件单粒子效应的检测系统及方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及集成
电路芯片检测领域，特别是一种碳化硅器件单粒子效应的检测系统及方法。
背景技术
[0002] 碳化硅(SiC)是第三代
半导体材料，与传统硅材料相比，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，导热率为硅的4-5倍，击穿
电压为硅的8倍，
电子饱和漂移速率为硅的2倍，因此特别适合于制造耐高温、耐高压、耐大
电流的高频大功率器件。
[0003] 碳化硅结势垒肖特基
二极管(SiC SBD)是目前较为成熟的一种碳化硅器件，其主流产品的耐压可高达600V-3300V。将SiC SBD用于电源设计可有效提高其转换效率，同时实现电源系统的小型化。目前，该产品已广泛用于
光伏发电系统的功率调节器、电动
汽车快速充电器的功率因数校正(PFC)电路和
整流桥电路的设计中。
[0004] 因为碳化硅器件相比硅器件具有明显的性能优势，因此，我国在
航天器设计中也计划选用碳化硅器件。碳化硅器件在进行航天应用前，需要先对其单粒子效应进行评估。碳化硅器件的单粒子效应检测试验目前存在的技术问题如下：
[0005] 1、碳化硅器件的测试通常需要使用专用设备，如Keysight的B1505半导体器件分析仪，该类仪器体积较大，不便移动。并且，部分低
能量粒子的单粒子试验需要在
真空罐内进行，专用测试仪器无法置于真空罐内，因此无法用于单粒子试验。
[0006] 2、单粒子试验一般需要对多只器件逐个进行。由于真空罐抽真空的时间较长，为节省试验时间，一般需要将多只试验器件同时置于真空罐内，通过程序控制切换试验工位。而专用测试仪器一般仅提供1个测试工位，如需扩展工位，则需要额外设计继电器矩阵，对多个检测工位进行物理隔离与远程切换。但是，由于碳化硅器件的单粒子试验属于破坏性试验，单粒子效应可能会使器件击穿，产生瞬间大电流烧毁器件，并同时烧毁检测通路上的继电器矩阵，使其他试验工位上的器件无法正常工作。由于继电器矩阵一般位于真空罐内的检测板上，一旦发生故障，则必须打开真空罐进行维修更换。后续试验则需要重新抽真空，造成试验束流时间的浪费。
[0007] 3、碳化硅器件为单粒子敏感器件，发生单粒子效应的电压区间较窄，采用传统的固定
偏压试验方法一般只能得到烧毁或无效应两种结论。其中烧毁是由于施加的偏压过大，无效应是因为施加的偏压过小，一般无法准确获取器件发生单粒子效应的电压区间，试验效果并不理想。
发明内容
[0008] 本发明解决的技术问题是：克服
现有技术中无法准确获取器件发生单粒子效应的电压区间，试验效果并不理想的不足，提供了一种碳化硅器件单粒子效应的检测系统及方法。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明
实施例提供了一种碳化硅器件单粒子效应的检测系统，包括：计算机、高阻表、BNC转接装置、检测装置、第一DB9转接装置、保护装置、直流源、第二DB9转接装置和真空罐，所述BNC转接装置设置于所述真空罐之上，其中，[0010] 所述计算机分别与所述高阻表、所述直流源和所述第二DB9转接装置连接；
[0011] 所述高阻表的高压输出High端口与所述BNC转接装置连接；
[0012] 所述直流源的电压输出端口与所述第二DB9转接装置连接；
[0013] 所述BNC转接装置、所述第二DB9转接装置和所述第一DB9转接装置分别与所述检测装置连接；
[0014] 所述第一DB9转接装置和所述高阻表上的仪表输入High端口分别与所述保护装置连接；
[0015] 所述高阻表的高压输出Low端口与所述高阻表上的仪表输入Low端口内部连接；
[0016] 所述检测装置置于所述真空罐内，
粒子束流通过
加速器管道输送至所述检测装置上的辐照区域。
[0017] 优选地，所述检测装置包括：高压源输入
接口、
漏电流输出接口、供电与
通信接口、继电器矩阵、碳化硅器件矩阵、供电电路、通信电路、继电器控制电路和继电器驱动电路，其中，
[0018] 所述高压源输入接口与所述继电器矩阵的公共输入端连接；
[0019] 所述继电器矩阵的独立输出端与所述碳化硅器件矩阵的独立输入端连接；
[0020] 所述碳化硅器件矩阵的独立输出端与所述漏电流输出接口的独立端口连接；
[0021] 所述供电与通信接口分别与所述供电电路和所述通信电路连接；
[0022] 所述通信电路与所述继电器控制电路连接；
[0023] 所述继电器控制电路与所述继电器驱动电路连接；
[0024] 所述继电器驱动电路的独立输出端与所述继电器矩阵的独立控制端连接；
[0025] 所述供电电路可以为所述继电器矩阵、所述通信电路、所述继电器控制电路和所述继电器驱动电路供电。
[0026] 优选地，所述保护装置包括：漏电流输出接口、跳线矩阵和漏电流输出接口，其中，[0027] 所述漏电流输出接口与所述跳线矩阵的独立输入接口连接；
[0028] 所述跳线矩阵的公共输出端口与所述漏电流输出接口连接。
[0029] 优选地，所述系统还包括：安装结构，所述安装结构包括：垂直转接板、试验夹具和碳化硅器件，其中，
[0030] 在进行碳化硅器件单粒子效应的检测过程中，所述检测装置安装于所述真空罐中，且所述检测装置与地面垂直，所述碳化硅器件的芯片平面与所述检测装置相互平行；
[0031] 所述垂直转接板与所述检测装置通过90度连接器垂直安装；
[0032] 所述试验夹具垂直安装于所述垂直转接板之上；
[0033] 所述碳化硅器件安装于所述试验夹具中。
[0034] 优选地，所述计算机通过总线与所述高阻表和所述直流源连接；所述总线为通用接口总线、通用
串行总线和LAN总线中的任一种；
[0035] 所述计算机通过BNC线缆与所述第二DB9转接装置连接；
[0036] 所述高压输出High端口通过同轴卡扣配合型连接器与所述BNC转接装置连接；
[0037] 所述BNC转接装置通过同轴BNC线缆与所述检测装置连接；
[0038] 所述第二DB9转接装置通过DB9线缆与所述检测装置连接；
[0039] 所述检测装置通过DB9线缆与所述第一DB9转接装置连接；
[0040] 所述第一DB9转接装置通过DB9线缆与所述保护装置连接；
[0041] 所述保护装置通过BNC同轴线缆与所述高阻表的仪表输入High端口连接；
[0042] 所述高阻表的高压输出Low端口与仪表输入Low端口，通过所述高阻表内部
开关连接。
[0043] 为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种碳化硅器件单粒子效应的检测方法，应用于上述任一项所述的检测系统，包括：
[0044] 在对多个待测试碳化硅器件和所述检测系统安装完成之后，打开真空罐内的粒子束流；
[0045] 采用计算机通过高阻表实时读取并记录漏电流测量结果，直到实验结束；
[0046] 当所述待测试碳化硅器件烧毁，或漏电流测量结果达到目标设定值时，采用所述计算机控制所述高阻表关闭偏压；
[0047] 当所述待测试碳化硅器件未烧毁，或漏电流测量结果未达到所述目标设定值，且在所述粒子束流的总量达到设定值时，通过所述计算机控制所述高阻表关闭偏压；
[0048] 通过所述计算机控制所述检测装置切换检测通道，并重复执行所述采用计算机通过高阻表实时读取并记录漏电流测量结果，直到实验结束，至所述通过所述计算机控制所述高阻表关闭偏压的步骤；
[0049] 当所述待测试碳化硅器件发生单粒子烧毁时，评估所述待测试碳化硅器件的单粒子效应。
[0050] 优选地，在所述打开真空罐内的粒子束流的步骤之前，还包括：
[0051] 将多个所述待测试碳化硅器件预先开帽，并安装于所述检测装置的无损测试工装上，分别记录下每个所述待测试碳化硅器件的偏压方向；
[0052] 连接所述检测装置，合上真空罐，抽真空；
[0053] 采用所述计算机控制直流源通过第二DB9转接装置为所述检测装置上电；
[0054] 采用所述计算机通过所述第二DB9转接装置控制所述检测装置，打开碳化硅器件矩阵的通道继电器；
[0055] 通过所述计算机设定所述高阻表的工作模式。
[0056] 优选地，所述工作模式包括：所述高阻表的高压源输出的量程范围、
输出电压模式、偏压方向、步进幅度、步进速度、步进偏压终点、电流表测量量程、终止偏压的漏电流上限、闭合高阻表内部高压源Low端与电流表Low端的开关。
[0057] 优选地，所述评估所述待测试碳化硅器件的单粒子效应的步骤，包括：
[0058] 在试验中所述待测试碳化硅器件发生单粒子烧毁时，评估所述通道继电器发生故障。
[0059] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0060] (1)本发明的检测装置可置于真空罐内，可实现真空环境下的单粒子试验，同时，装置也可用于大气环境下的单粒子试验；
[0061] (2)本发明具有多个物理上完全隔离的单粒子效应检测工位，可通过置于真空罐外的计算机进行程序控制，每次只为一个工位上的碳化硅器件施加偏置；
[0062] (3)具有防烧毁旁路设计，当检测装置上的一个碳化硅器件(或该通道继电器)在试验过程中烧毁时，可对该工位单独进行旁路隔离，不会影响其他工位上碳化硅器件的正常试验；
[0063] (4)可通过程序独立控制每个工位上碳化硅器件的偏压方向，以适应不同封装碳化硅器件的单粒子试验需求；
[0064] (5)支持步进偏压方式的碳化硅器件单粒子试验，步进幅度与速度可程控，通过步进偏压方式，可精确检测出碳化硅器件发生单粒子效应的电压值；
[0065] (6)试验中实时监控并记录碳化硅器件的漏电流变化，并可设定漏电流退化上限，从而控制碳化硅器件的辐照损伤程度，获得具有特定电性能的碳化硅器件样品。
附图说明
[0066] 图1为本发明实施例提供的一种碳化硅器件单粒子效应的检测系统的结构示意图；
[0067] 图2为本发明实施例提供的一种检测装置的结构示意图；
[0068] 图3为本发明实施例提供的一种保护装置的结构示意图；
[0069] 图4为本发明实施例提供的一种碳化硅器件的安装结构的示意图；
[0070] 图5为本发明实施例提供的一种碳化硅器件单粒子效应的检测方法的步骤
流程图。
具体实施方式
[0071] 下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的实施例保护的范围。
[0072] 实施例一
[0073] 参照图1，示出了本发明实施例提供的一种碳化硅器件单粒子效应的检测系统的结构示意图。
[0074] 如图1所示，该检测系统具体可以包括：计算机101、高阻表102、BNC转接103、检测装置104、第一DB9转接装置105、保护装置106、直流源107，第二DB9转接装置108和真空罐109。
[0075] 其中，计算机101可以通过GPIB、USB或LAN等总线与高阻表102和直流源107连接，并通过UART总线与第二DB9转接装置108连接。
[0076] 高阻表102的高压输出High端口可以通过同轴BNC线缆与真空罐上的BNC转接103连接。
[0077] 直流源107的电压输出端口Vop与Von与第二DB9转接装置108连接。
[0078] BNC转接装置103可以通过同轴BNC线缆与检测装置104连接。
[0079] 第二DB9转接装置108可以通过DB9线缆与检测装置104连接。
[0080] 检测装置104可以通过DB9线缆与第一DB9转接装置105连接。
[0081] 第一DB9转接装置105可以通过DB9线缆与保护装置106连接。
[0082] 保护装置106可以通过BNC同轴线缆与高阻表102的仪表输入High端口连接。
[0083] 高阻表102的高压输出Low端口与仪表输入Low端口可以通过高阻表102内部开关连接。
[0084] 检测装置104置于真空罐109中，粒子束流通过加速器管道输送至检测装置104上的辐照区域。
[0085] 接下来结合图2，对本发明实施例提供的检测装置进行如下描述。
[0086] 参照图2，示出了本发明实施例提供的一种检测装置的结构示意图，如图2所示，检测装置104可以包括：高压源输入接口201、漏电流输出接口202、供电与通信接口203、继电器矩阵204、碳化硅器件矩阵(DUT矩阵)205、供电电路206、通信电路207、继电器控制电路208和继电器驱动电路209。
[0087] 其中，高压源输入接口201可以与继电器矩阵204的公共输入端连接；
[0088] 继电器矩阵204的独立输出端可以与DUT矩阵205的独立输入端连接；
[0089] DUT矩阵205的独立输出端可以与漏电流输出接口202的独立端口连接；
[0090] 供电与通信接口203可以分别与供电电路206和通信电路207连接；
[0091] 通信电路207可以与继电器控制电路208连接；
[0092] 继电器控制电路208可以与继电器驱动电路209连接；
[0093] 继电器驱动电路209的独立输出端可以与继电器矩阵204的独立控制端连接；
[0094] 供电电路206为检测装置204上除DUT矩阵外的全部有源电路供电，包括继电器矩阵204，通信电路207，继电器控制电路208与继电器驱动电路209。
[0095] 接下来结合图3，对本发明实施例提供的保护装置进行如下描述。
[0096] 参照图3，示出了本发明实施例提供的一种保护装置的结构示意图，如图3所示，保护装置106可以包括：漏电流输出接口301、跳线矩阵302和漏电流输出接口303。
[0097] 其中，漏电流输出接口301可以与跳线矩阵302的独立输入接口连接；
[0098] 跳线矩阵302的公共输出端口可以与漏电流输出接口303连接。
[0099] 接下来结合图4，对本发明实施例的安装结构进行如下描述。
[0100] 参照图4，示出了本发明实施例提供的一种碳化硅器件的安装结构的示意图，如图4所示，检测装置104在真空罐109中垂直于地面安装，碳化硅器件的芯片平面与检测装置
104平行，安装结构可以包括垂直转接板401、试验夹具402，DUT(即碳化硅器件)403。
[0101] 其中，垂直转接板401可以与检测装置104通过90度连接器垂直安装；
[0102] 试验夹具402垂直安装在垂直转接板401上；
[0103] DUT 403安装在试验夹具402中。
[0104] 本发明实施例提供的碳化硅器件单粒子效应的检测系统具有如下有益效果：
[0105] (1)本发明的检测装置可置于真空罐内，可实现真空环境下的单粒子试验，同时，装置也可用于大气环境下的单粒子试验；
[0106] (2)本发明具有多个物理上完全隔离的单粒子效应检测工位，可通过置于真空罐外的计算机进行程序控制，每次只为一个工位上的碳化硅器件施加偏置；
[0107] (3)具有防烧毁旁路设计，当检测装置上的一个碳化硅器件(或该通道继电器)在试验过程中烧毁时，可对该工位单独进行旁路隔离，不会影响其他工位上碳化硅器件的正常试验；
[0108] (4)可通过程序独立控制每个工位上碳化硅器件的偏压方向，以适应不同封装碳化硅器件的单粒子试验需求；
[0109] (5)支持步进偏压方式的碳化硅器件单粒子试验，步进幅度与速度可程控，通过步进偏压方式，可精确检测出碳化硅器件发生单粒子效应的电压值；
[0110] (6)试验中实时监控并记录碳化硅器件的漏电流变化，并可设定漏电流退化上限，从而控制碳化硅器件的辐照损伤程度，获得具有特定电性能的碳化硅器件样品。
[0111] 参照图5，示出了本发明实施例提供的一种碳化硅器件单粒子效应的检测方法的步骤流程图，如图5所示，该碳化硅器件单粒子效应的检测方法可以应用于上述实施例一中任一项所述的碳化硅器件单粒子效应的检测系统，具体可以包括如下步骤：
[0112] 步骤501：在对多个待测试碳化硅器件和所述检测系统安装完成之后，打开真空罐内的粒子束流；
[0113] 步骤502：采用计算机通过高阻表实时读取并记录漏电流测量结果，直到实验结束；
[0114] 步骤503：当所述待测试碳化硅器件烧毁，或漏电流测量结果达到目标设定值时，采用所述计算机控制所述高阻表关闭偏压；
[0115] 步骤504：当所述待测试碳化硅器件未烧毁，或漏电流测量结果未达到所述目标设定值，且在所述粒子束流的总量达到设定值时，通过所述计算机控制所述高阻表关闭偏压；
[0116] 步骤505：通过所述计算机控制所述检测装置切换检测通道，并重复执行所述采用计算机通过高阻表实时读取并记录漏电流测量结果，直到实验结束，至所述通过所述计算机控制所述高阻表关闭偏压的步骤；
[0117] 步骤506：当所述待测试碳化硅器件发生单粒子烧毁时，评估所述待测试碳化硅器件的单粒子效应。
[0118] 在本发明的一种优选实施例中，在所述打开真空罐内的粒子束流的步骤之前，还包括：
[0119] 将多个所述待测试碳化硅器件预先开帽，并安装于所述检测装置的无损测试工装上，分别记录下每个所述待测试碳化硅器件的偏压方向；
[0120] 连接所述检测装置，合上真空罐，抽真空；
[0121] 采用所述计算机控制直流源通过第二DB9转接装置为所述检测装置上电；
[0122] 采用所述计算机通过所述第二DB9转接装置控制所述检测装置，打开碳化硅器件矩阵的通道继电器；
[0123] 通过所述计算机设定所述高阻表的工作模式。
[0124] 在本发明的另一种优选实施例中，所述工作模式包括：所述高阻表的高压源输出的量程范围、输出电压模式、偏压方向、步进幅度、步进速度、步进偏压终点、电流表测量量程、终止偏压的漏电流上限、闭合高阻表内部高压源Low端与电流表Low端的开关。
[0125] 在本发明的另一种优选实施例中，所述评估所述待测试碳化硅器件的单粒子效应的步骤，包括：
[0126] 在试验中所述待测试碳化硅器件发生单粒子烧毁时，评估所述通道继电器发生故障。
[0127] 在本发明实施例中，碳化硅器件样品预先开帽，安装在检测装置104的无损测试工装上，分别记录下每只器件的偏压方向；
[0128] 按图1连接检测装置，合上真空罐，抽真空；
[0129] 计算机101控制直流源107，通过DB9转接108，为检测装置104上电；
[0130] 计算机101通过DB9转接108，控制检测装置104，打开DUT(1)的通道继电器，该该控制过程由检测装置104上的通信电路207，继电器控制电路208，继电器驱动电路209共同完成；
[0131] 计算机101设定高阻表102的工作模式，包括高压源输出的量程范围，输出电压模式(固定偏压/步进偏压)，偏压方向，步进偏压起点，步进幅度，步进速度，步进偏压终点，电流表测量量程，终止偏压的漏电流上限，闭合高阻表内部高压源Low端与电流表Low端的开关，以上设置由计算机
软件编程实现；
[0132] 打开真空罐内的粒子束流，开始辐照；
[0133] 计算机101通过高阻表102，实时读取并记录漏电流测量结果，直到试验结束；
[0134] 当碳化硅器件烧毁，或漏电流达到目标设定值时，计算机101控制高阻表102关闭偏压，DUT(1)的辐照试验结束；
[0135] 当碳化硅器件未烧毁，漏电流未达到目标设定值，但粒子束流总量达到了设定值时，人工控制计算机101，使高阻表102关闭偏压，DUT(1)的辐照试验结束；
[0136] 计算机101控制检测板104切换检测通道，如DUT(2)，重复步骤(5)-(9)；
[0137] 当试验中碳化硅器件发生单粒子烧毁时，该通道的继电器可能同时故障，表现为无法在程序控制下闭合或断开。当继电器无法断开时，该通道表现为
短路，会影响其他工位上的碳化硅器件无法正常加电，此时，可以人工断开保护装置106上对应的跳线，对该通道进行物理隔离。
[0138] 本发明实施例提供的碳化硅器件单粒子效应的检测方法具有如下有益效果：
[0139] (1)本发明的检测装置可置于真空罐内，可实现真空环境下的单粒子试验，同时，装置也可用于大气环境下的单粒子试验；
[0140] (2)本发明具有多个物理上完全隔离的单粒子效应检测工位，可通过置于真空罐外的计算机进行程序控制，每次只为一个工位上的碳化硅器件施加偏置；
[0141] (3)具有防烧毁旁路设计，当检测装置上的一个碳化硅器件(或该通道继电器)在试验过程中烧毁时，可对该工位单独进行旁路隔离，不会影响其他工位上碳化硅器件的正常试验；
[0142] (4)可通过程序独立控制每个工位上碳化硅器件的偏压方向，以适应不同封装碳化硅器件的单粒子试验需求；
[0143] (5)支持步进偏压方式的碳化硅器件单粒子试验，步进幅度与速度可程控，通过步进偏压方式，可精确检测出碳化硅器件发生单粒子效应的电压值；
[0144] (6)试验中实时监控并记录碳化硅器件的漏电流变化，并可设定漏电流退化上限，从而控制碳化硅器件的辐照损伤程度，获得具有特定电性能的碳化硅器件样品。
[0145] 以上所述仅为本发明的实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的实施例，凡在本发明的实施例的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的实施例的保护范围之内。
[0146] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
