本发明是一种专用于新型功率半导体器件gct(gate-commutatedthyristor，中文全称：门极换流晶闸管)芯片的门极和阴极之间pn结直流阻断电压特性测试的专用测试设备，很好地适应gct芯片的门极和阴极引出电极在芯片表面的圆周布局结构，用于快速准确地进行芯片内部数以千计的二极管失效分析及判定，为后续工艺对失效阴极梳条修补、屏蔽处理提供技术支持，是新型电力电子器件gct制造过程中的中间测试环节专业仪器。
背景技术：
功率半导体器件发展40多年来，随着对电压和功率各方面的性能要求不断提高，它的复杂性和容量一直在增长。传统的可控硅整流元件只能在交流电周期末端进行关断，它的改进型便是门极可关断晶闸管(gto)。gto在一个硅片上集成了数千个分离开关单元，由于器件的结构原理决定了它的开关过程是不均匀的，所以在实际应用线路中要设计缓冲电路，这些必须有的额外缓冲电路可以限制关断时的dv/dt。在中等电压情况下，有较低的通态损耗和缓冲电路损耗，随着电压和频率的提高，线路中配套的缓冲元件容量增大，主要损耗由器件的开关损耗变为缓冲电路损耗，这些缓冲电路在设备系统中占有较大体积，并决定了设备的复杂性、成本和损耗。
上世纪八十年代中期引入的绝缘栅双极型晶体管igbt是一种混合式mos栅极开关双极型晶体管，它结合了mosfet和bjt的优点。igbt开关均匀，不需要缓冲电路，但通态损耗较大；而且用于较高电压时必须将低压igbt串联使用，这样大大增加了系统复杂性和损耗，同时降低了系统的可靠性。
随着高压大功率开关器件参数性能需求不断提升，1997年abb半导体公司推出了一种可以满足这些要求的新型半导体功率器件——集成门极换流晶闸管igct，igct结合了gto和igbt的优点，同时拥有晶闸管的开通特性和晶体管的关断特性。igct主要由主开关器件gct和门极硬驱动电路集成而成，gct是igct的核心器件，它由gto演变而来，引入缓冲层、透明阳极、逆导二极管等技术。igct具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且成本低、成品率高，具有广阔的应用前景。
从附图1中可以看出，为获得gct芯片(1)的阴极s(3)有较大导电面积，设计成如图所示的多圈梳条环形分布结构；在附图2中可以看出，每一个阴极梳条均与门极g(2)之间扩散有一个pn结j3(4)，制造成上千只二极管，从d1、d2……dn(5)，所有阴极梳条在封装时通过上钼片压接接触阴极金属层(6)形成阴极s，门极与阴极之间通过制造绝缘层(7)隔离，若有任何一只二极管存在门极与阴极之间的短路或达不到设计的反向耐压，均会造成门极与阴极特性失效，器件报废。但是，我们分析这种设计结构时发现，门/阴极之间的上千只二极管工作时处于并联状态，每个二极管仅占不到千分之一的比重。经测试数据统计分析，极个别二极管不参与工作对器件的特性影响甚微，通过屏蔽极个别的失效二极管可以挽救一只价值昂贵的整只gct芯片，相反能找出其中失效的二极管变得极具价值。
我们通过国内外市场调研，获得能进行晶圆表面成百上千只独立器件参数测试的设备均为自动打点测试原理，也就是针对每个公司产品在晶圆上的分布图形设计一种适用的打点测试运动轨迹，通过图像识别校对起始打点位置，逐一实现测试及失效元件标识工作。经实际测算，像6吋gtc芯片表面阴极梳条多达4200个左右，以打点测试一个点约1.5秒钟计算，测试完成一只需耗时约100分钟，这对于生产型产品来说效率极其低下，满足不了生产需求。
技术实现要素：
本发明的目的是实现一种可满足gct芯片门/阴极之间集成数千只二极管的直流电压阻断特性测试、失效分析、打点标识的基于圆周法的一种gtc芯片门/阴极阻断特性圆周法测试台，能快速、准确判断器件的性能特性，根据器件规格选用不同尺寸的载片夹具，已达到满足不同尺寸规格芯片的测试需要。
本发明的技术解决方案是：一种gtc芯片门/阴极阻断特性圆周法测试台，包括圆周法精密测试探针台和高清ccd数字显微镜，高清ccd数字显微镜包括cmos摄像头(8)和显示器(9)，用于测试过程中的微观图像监控；圆周法精密测试探针台的测试台机架(10)为c形结构，底部为梯形底座，通过方形柱子(11)连接摄像头竖直固定杆(12)和摄像头固定横支架(13)，用于固定ccd数字摄像头(8)；圆周法精密测试探针台结构架空安装在机架的中部，圆周法精密测试探针台包括xyz三维移动测试平台、电动旋转平台(23)、测试夹具(20)、门极滚动测试探针(28)、阴极测试软探针(38)和打点器组件(19)，xyz三维移动测试平台由xy二维移动测试平台(25)和z方向燕尾槽齿条型可调滑台(27)构成，z方向燕尾槽齿条型可调滑台(27)用螺丝垂直固定在机架(10)的方形柱子(11)内侧，通过旋钮(37)调节平台上下运动；xy二维移动测试平台(25)水平安装，与z方向燕尾槽齿条型可调滑台(27)处于垂直关系，二者通过l型转接板(26)用螺丝固定连接，通过测试平台xy方向调节旋钮(43)调节前后左右位置；xy二维移动测试平台(25)上面通过旋转平台固定板(24)用螺丝(22)连接电动旋转平台(23)，旋转平台(23)上采用夹具定位柱(36)和测试夹具安装板(21)用螺丝(35)把测试夹具(20)同心地固定在旋转平台(23)的中心位置，测试夹具(20)上放置gct芯片(1)；
测试台机架(10)左右两侧靠后位置分别设有门极滚动测试探针(28)、阴极测试软探针(38)，门极测试探针压杆(30)固定在固定器(31)上并通过固定器(31)与三维探针座(33)连接，其水平投影与移动平台x轴负方向形成30±2°夹角，门极滚动测试探针(28)上竖直安装的铜滚轮(46)运行在gct芯片(1)的门极区域，压杆(30)与gct芯片的门极圆环形成切线位置关系，使其可靠地进行门极滚动接触，用三维探针座(33)调节位置，整个组件通过门极测试探针组件安装块(34)固定在旋转平台固定板(24)上，整体随着xy移动平台移动，与gct芯片位置相对固定；
阴极测试软探针(38)通过安装在机架(11)后侧立柱中部的组件安装板(16)固定，软探针(38)的位置用三维探针座(41)调节，软探针的水平投影与xy移动平台的x轴正方向形成45±2°夹角，调试时把移动平台调节在z轴的上限位置，通过调节阴极软探针三维探针座(41)使软探针可靠接触在gct芯片(1)的阴极梳条区域；
打点器组件由打点器调节用三维探针座(18)和墨汁打点器(19)构成，整体安装在机架(11)后侧立柱的中上部位置，打点器的打点工作位置通过三维探针座(18)调节，与阴极软探针接触在gct芯片上的阴极梳条同一位置。
测试夹具(20)配合芯片(1)本身的轮廊形状，夹具(20)与芯片(1)之间通过紧配合定位，夹具(20)与芯片(1)硅胶圈接触面设计成92±0.1°倾斜角。
测试夹具定位柱(36)结构为台阶圆柱形，通过定位柱可以将测试夹具(20)同心地安装在电动旋转平台(23)的中心位置。
门极滚动测试探针组件包括铜压杆(30)、滚轮安装轴(45)、轴承(47)、滚轮(46)，转轴(48)上设有铜压杆(30)，铜压杆(30)端部通过滚轮安装轴(45)和轴承(47)设有滚轮(46)，铜压杆(30)上设有弹簧(32)，通过弹簧(32)施加作用力把滚轮(46)可靠定位在芯片的门极区域，压杆机构通过固定支架(31)安装在与旋转平台同一块安装板上，与芯片(1)相对位置固定，只是测试过程中滚轮跟随芯片在转动。
阴极测试软探针组件包括探针壳体(52)、探针柄(53)、针须(54)，探针顶端设有钼材质的针须(54)，针须(54)焊接在钼材质的探针柄(53)上，探针柄(54)紧插在微孔铜管(50)中，同时外围与探针壳体(52)之间用树脂(51)绝缘，后端引出电极引线(49)。
本发明采用圆周运动的测试方法，专门设计针对gct芯片表面检测点圆周布局特点的门极压杆滚动接触探针和阴极滑动接触软探针，配合设计运动控制程序和检测线路，能通过旋转运动快速判定失效器件的位置并做出标记，为后续工艺对失效点采取屏蔽措施提供技术支持。设计中采用了高精度的三维移动平台、步进电机驱动的旋转平台和探针座，配以ccd视频显微镜进行设备调整和测试过程监控，设计的c型机架和架空平台以构成较好的人机操作结构，配以不同规格专门设计的载片定位夹具满足不同尺寸芯片测试需要。该测试台通过在gct芯片生产中的应用，在可靠性、检测准确性和高效率等方面满足规模化生产的测试需要。本测试台就是为满足gct芯片的门/阴极之间数千只二极管特性进行直流电压阻断测试，以高效、准确地筛选出个别失效器件，并做以标识，为后续工艺修补提供可能性。
附图说明
附图1是gct芯片结构示意图。
附图2是gct芯片a-a剖面图
附图3是gct芯片门/阴极阻断特性圆周法测试台结构主视图。
附图4是测试探针台结构左视图。
附图5是测试载片夹具结构主视图。
附图6是测试载片夹具结构俯视图。
附图7是测试夹具定位柱主视图。
附图8是测试夹具定位柱俯视图。
附图9是门极压杆式滚动测试探针主视图。
附图10是门极压杆式滚动测试探针俯视图
附图11是阴极软探针结构图。
附图12是阴极软探针b-b局部剖视图
附图13是电气控制箱和可调直流稳压电源结构图。
附图14是测试台系统原理方框图。
图中标注说明如下：
1：gct芯片；2：门极g；3：阴极s；4：pn结j3；5：二极管；6：阴极金属层；7：绝缘层；8：cmos摄像头；9：显示器；10：机架；11：方形柱子；12：竖直固定圆杆；13：摄像头固定横支架；14：旋钮顶丝杆a；15：旋钮顶丝杆b；16：阴极组件安装板；17：照明灯；18：打点器组件用三维探针座；19：墨汁打点器；20：测试夹具；21：测试夹具安装板；22：螺丝；23：电动旋转平台；24：旋转平台固定板；25：xy二维移动测试平台；26：l型转接板；27：z方向燕尾槽齿条型可调滑台；28：门极滚动测试探针；30：门极测试探针铜压杆；31：门极探针固定器；32：弹簧；33：门极探针用三维探针座；34：探针组件安装块；35；m4螺丝；36：夹具定位柱；37：z方向调节旋钮；38：阴极测试软探针；41：阴极探针用三维探针座；42：步进电机电缆接口；43：xy方向调节旋钮；44：硅胶圈；45：滚轮安装轴；46：铜滚轮；47：轴承；48：转轴；49电极引线；50：微孔铜管；51树脂；52：探针壳体；53：探针柄；54：针须；55：电气控制箱；56：直流稳压电源；57：运动可编程控制器
具体实施方式
gct芯片门/阴极阻断特性圆周法测试台设计的基本要求。
1)测试中对器件引出电极阴极(s)和阳极(g)表面铝层不能造成损伤，特殊设计结构必须满足导电、移动检测等要求。
2)测试探头、打点标识器等位置均可三维精密调节，以满足测试位置准确定位。
3)载片夹具特殊设计加工，适用gct芯片定位，取放操作方便。
4)工作平台三维可调，载片台可旋转运动，满足大于360°以上圆周测试需要，转动角度可设定，转动速度可调，自动启、停控制；
5)载片台同心度≤0.1mm，平面度≤0.1mm；
6)被测gct门/阴极阻断电压范围：0～30vdc，可调；测试台配有阻断电压、过电压数字显示功能；
7)预先设定阻断电压值；当被测元件出现阻断电压低于设定值时，电机停转，报警，打点标识后按复位，重新启动后可完成整个测试过程；
8)ccd数字成像显微镜(500万coms摄像头，19吋显示器)，便于调整探头位置、观察测试过程。
9)测试1个6吋gct芯片的工作时间控制在6min以内，相比打点测试方式能提高数倍工作效率。
1.基本结构
本测试台整体结构见附图3和4，其中标注说明见附图说明。
本测试台整机包括圆周法精密测试探针台、电气控制箱55、可调直流稳压电源56和高清ccd数字显微镜等部分组成。
圆周法精密测试探针台是本测试台的核心，主要用于执行测试过程中的被测芯片运动、芯片取放操作及定位、探针定位、标识打点等任务，电气控制箱(55)用于测试过程的信号控制与监控，可调直流稳压电源56和高清ccd数字显微镜为标准产品，可调直流稳压电源56为测试系统提供0～30v直流阻断测试电压，高清ccd数字显微镜配有500万像素cmos摄像头8和19吋显示器9，用于测试过程中的微观图像监控。
圆周法精密测试探针台的主机架10设计成c形结构，用6mm钢板焊制而成，表面喷塑，底部为梯形底座，通过方形立柱11连接摄像头竖直固定杆12和摄像头固定横支架13，用于固定ccd数字摄像头8。圆周法精密测试探针台结构架空安装在机架的中部，探针工作平台主要包括xyz三维移动测试平台、电动旋转平台23、测试夹具20、门极压杆式滚动测试探针组件28、29、30、31、32、33、阴极软探针组件38、39、40、41和打点器组件18、19等部分。xyz三维移动测试平台由xy二维移动测试平台(25)和z方向燕尾槽齿条型可调滑台27构成，z方向燕尾槽齿条型可调滑台用螺丝垂直固定在机架的立柱11内侧，通过旋钮37调节平台上下运动；xy二维移动测试平台25水平安装，与z方向燕尾槽齿条型可调滑台27处于垂直关系，二者通过l型转接板26用螺丝固定连接，通过测试平台xy方向调节旋钮43调节前后左右位置。xy二维移动测试平台25上面通过旋转平台固定板24用螺丝22连接电动旋转平台23，旋转平台23上采用夹具定位柱36和测试夹具安装板21用螺丝35把测试夹具20同心地固定在旋转平台23的中心位置，测试夹具20上用于放置gct芯片1。
测试台机架10左右两侧靠后位置分别安装门极滚动测试探针组件和阴极测试软探针组件。门极测试探针压杆30固定在固定器31上并通过固定器与三维探针座33连接，其水平投影与移动平台x轴负方向形成30±2°夹角，门极滚动测试探针上竖直安装的铜滚轮46运行在gct芯片1的门极区域，压杆30与gct芯片1的门极圆环形成切线位置关系，使其可靠地进行门极滚动接触，可以用三维探针座33调节位置，整个组件通过门极测试探针组件安装块34固定在旋转平台固定板25上，整体随着xy移动平台移动，与gct芯片位置相对固定。
阴极软探针组件通过安装在机架10后侧方形立柱11中部的组件安装板16固定，软探针的位置用三维探针座41调节，软探针的水平投影与xy移动平台的x轴正方向形成45±2°夹角，调试时把移动平台调节在z轴的上限位置，通过调节阴极软探针三维探针座41使软探针可靠接触在gct芯片1的阴极3梳条区域，这样的好处在于测试过程中阴极软探针组件位置调节好后不动，换装另外一只被测gct芯片后不用再次调节阴极探针位置，提高了测试效率。
打点器组件由打点器调节用三维探针座18和墨汁打点器19构成，整体安装在机架10后侧立柱的中上部位置，打点器的打点工作位置通过三维探针座18调节，与阴极软探针接触在gct芯片上的阴极梳条同一位置，与软探针接触点间隔约1mm，在阴极疏条约2.8mm的长度范围内，使得打点器能够准确标识失效梳条的位置。
2.设计要点
1)整机工作原理设计
本测试台整机工作原理见附图14。从图中可以看出：由可调直流稳压电源产生0～30v直流电压，电压正极加在被测gct芯片的阴极s，电压负极加在门极g，即形成对被测二极管施加以反向阻断电压，同时在回路中与被测二极管串联过电压取样电阻，用于检测过电压值。同时可以通过在信号处理控制板上预设过电压保护值，当被测二极管反向转折电压低于设定值时，表明二极管存在反向耐压不够或门阴极之间有短路等失效原因，必须将此二极管作出标识，以便后续工艺进行修补屏蔽处理。
圆周法测试原理就是利用阴极梳条多圈环形分布的特点，通过旋转芯片，在运动过程中采用门极滚动探针和阴极滑动软探针将直流电压加在被测二极管上，在测试过程前，先编制好旋转方向、运动速度等，转动角度大于360度以保证一整圈圆周上所有二极管都能被检测到。当测试中检测到失效器件时，电机控制旋转平台暂停，打点标识，然后继续检测判断，直至完成整个芯片测试。
2)gct载片夹具和定位柱设计
根据测试需要，整个测试过程中芯片处于旋转运动状态，为保证芯片运动的同心度和平面度，专门设计了如附图5、6测试载片夹具20结构和附图7、8测试夹具定位柱36的零件，在选用旋转平台时充分考虑平台本身的运动精度等指标，通过定位柱36把夹具20同心地固定在夹具安装板21上。
载片夹具20的结构设计要配合芯片本身的轮廊形状，采用pvc材料加工，夹具20与芯片1之间通过紧配合定位，夹具20与芯片1的保护硅胶圈44接触面设计成92±0.1°倾斜角，既保证芯片定位又便于安装、取放。不同直径大小的芯片可以加工类似结构的夹具，更换使用。
3)门极g压杆式滚动接触导电滚轮机构设计
gct芯片门极的形状和位置见附图1中所示，为处于芯片中间宽度约3mm的圆环状。因此，考虑良好导电和运动接触两方面因素，专门设计了如附图9、10所示的门极压杆式滚动测试探针组件。组件中的铜滚轮46外形圆弧设计，与滚轮轴45之间安装微型轴承47，滚轮轴45偏心向下安装，材料为纯铜，以保证在运动过程中的良好导电，并不损伤门极铝层。测试中直流电压通过铜压杆30、滚轮安装轴45、轴承47、滚轮46加到门极铝层上。
压杆式结构为铜压杆30绕转轴48转动设计，工作时通过弹簧32施加作用力把滚轮可靠定位在芯片的门极区域。压杆机构通过固定支架31安装在与旋转平台同一块安装板24上，与芯片相对位置固定，只是测试过程中滚轮跟随芯片在转动。设计压杆的另一个目的是测试完毕后可以人工向下压铜压杆30的尾端让滚轮探针前段抬起，以方面取放芯片。
4)阴极s滑动接触软探针机构设计
从附图1中可以看出gct芯片1阴极3形状为围绕芯片中心多圈环形分布的点状梳条结构，每个阴极梳条形状为大约0.3mm×2.8mm见方的条形，每个梳条之间制作绝缘层7，梳条凸起约20μm。
阴极软探针结构(见附图11、12)为顶端是钼材质的针须54，针须直径∮0.1mm，长度3mm，焊接在钼材质的探针柄53上，针须54要有良好的柔韧性，探针柄53紧插在微孔铜管50中，同时外围与探针壳体52之间用树脂51绝缘，后端引出电极引线49。
提高测试效率是该测试台设计必须考虑的问题，阴极软探针滑动接触是解决阴极多点测试的有效方法。此探针在工作时探针头布置在芯片运动的切线位置，与芯片表面形成30±2°夹角，旋转方向与探针顺向，这样一来可以使探针良好接触，不至于划伤阴极铝条并保护探针。
5)工作平台架空结构设计
本测试台设计时要考虑满足测试线路工作原理以外，在操作机构上设计成如附图4所示的c形机架结构，同时满足取放片和测试需要。把xy二维移动测试平台25架空安装在机架中部位置，上面安装ccd摄像头8。在测试时通过测试平台z方向调节旋钮37将平台向上调节在极限位置，这时与事先调整好位置的门极和阴极探针直接形成良好接触，实现了快速到达测试位。在完成测试过程后，人工压门极探针压杆30，抬起滚轮46，阴极软探针38和打点标识器19固定在机架上位置不动，此时反方向调节z方向旋钮37将平台向下移动，拉开芯片1与阴极探针38和打点标识器19之间的操作距离，方便地更换被测芯片。
5)旋转平台电子齿轮比设计
附图3所示，旋转平台23的电信号通过步进电机电缆接口42与安装在电气控制箱55上的运动可编程控制器57之间用电缆连接。从附图14系统原理框图中看出：运动可编程控制器向步进电机驱动器发脉冲信号，驱动步进电机来带动平台旋转。步进电机为两相混合式，步距角为1.8°，设定步进电机驱动器细分数为32。此旋转平台的减速比为180:1.
步进电机转动一周所需脉冲数＝(360°/步距角)×细分数＝(360°/1.8°)×32＝6400
角度控制的电子齿轮比按公式:
电子齿轮比＝(电机旋转一周所需脉冲数×减速比)/(360°×1000)
＝(6400×180)/(360×1000)
＝16/5
把此数值输入步进电机运动可编程控制器相对应的参数中，这样编程时就可以在程序中直接按角度编程来控制旋转平台的转动角度了。
6)电气控制箱设计
电气控制箱55设计见附图13，操作前面板安装有控制按钮和仪表、运动控制编程器等，电气元件安装在控制箱内部，箱体后部主要为电源220v交流电源进线、测试电压线、步进电机线缆、外控信号线等，箱体两侧开栅孔以保证通风散热，控制箱上面放置可调直流稳压电源56。
3.实际试验结果
1)承片平台同心度与平面度试验
让平台缓慢旋转，通过千分表打表观察，整个机台在运动过程中的平面度和同心度均满足≤0.1mm的精度要求，证明夹具及附件设计、选型、安装合理，达到机械性能参数要求。
2)探针运动接触可靠性试验
通过100片6时gct芯片的连续测试使用，没有发生一个门/阴极之间二极管的漏检情况，检测点数为100x2400＝240000个，试验结果证实这种门极滚动接触和阴极滑动接触是可靠的。
3)失效点判定结果的试验
失效点的判定取决于整个测试台的线路设计和精度，此机台的电气元件选用大规模集成电路元器件，整机的响应时间在ms级，作圆周运动的测试过程属于机械运动在秒级。用2只已知不同位置有失效二极管的gct芯片反复进行上百次的测试试验，每个测试过程都能准确判定失效点，证明测试台针对gct芯片失效点判定的高准确性。
4)失效点打点标识位置准确性试验
失效点标识位置要准确，不能偏差。设计的打点标记直经为0.3mm，可以满足视觉观察。打点位置通过调整打点器与阴极软探针在同一梳条上，当检测有失效元件时旋转平台暂停可打点标识。经测试观察，打点位置准确，能达到要求。
4)测试效率试验
用6时gct芯片进行连续测试工作，记录工作时间和片数，在6个小时工作时间内，一共检测66片芯片，平均耗时小于6min/片，比传统打点测试耗时100min/片效率提高15倍上。
4、结论
根据以上试验情况可以看到，针对gct门极/阴极进行阻断特性检测的圆周法测试台满足设计要求，目前已应用于西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司的gct器件生产工艺过程中，取得了很好的效果。