Мы на карте
Для получения информации оставьте свои данные и технический эксперт свяжется с вами
Нажимая кнопку «Отправить», я даю свое согласие на обработку моих персональных данных, в соответствии с Федеральным законом №152-ФЗ, на условиях и для целей, определенных в Согласии на обработку персональных данных.
Обратите внимание, что ответ специалиста может занять некоторое время.
×
Оборудование Компоненты Сервис
Москва, Киевская, 7

Решения для измерения электрических параметров силовых устройств на пластине


Решения для измерения электрических параметров силовых устройств на пластине.jpg

На сегодняшний день cиловые приборы особенно востребованы в областях автомобилестроения, промышленности, телекоммуникации, космоса и военного сектора. В связи с этим вопрос тестирования устройств на этапе разработки и изготовления с целью увеличения процента выхода годных изделий, а также построения адекватной модели для дальнейшего моделирования в САПР является особенно значимым и актуальным для снижения стоимости и повышения конкурентоспособности изделия. В данной заметке будут рассмотрены основные требования к контрольно-измерительному оборудованию и зондовым установкам, а также некоторые нюансы при комплектации рабочего места для проведения измерений параметров силовых устройств на пластине.

В силовой электронике полупроводниковые устройства в основном выполняют роль переключателей либо выпрямителей. Как правило, это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), силовые МОП-транзисторы и диоды, а также тиристоры. Основным отличием силовых устройств от слаботочных является их способность пропускать большие токи и выдерживать большие напряжения пробоя. Это достигается за счет использования материалов, обеспечивающих большую подвижность носителей заряда, ширину запрещенной зоны и теплопроводность.

Наиболее популярными материалами на данный момент являются нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC). По сравнению с обычным кремнием они обеспечивают большее рабочее напряжение, частоту переключения, а также возможность работы при более высоких температурах (рисунок 1).

Сравнение параметров кремния (Si), карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) в качестве материалов для силовой электроники.png

Рисунок 1. Сравнение параметров кремния (Si), карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) в качестве материалов для силовой электроники

Для определенности, к силовым устройствам относятся устройства, работающие при напряжениях более 500 В и токе более 1 А в импульсном или непрерывном режиме. Проведение тестирования данных устройств непосредственно на пластине вызывает ряд сложностей:

  • Наличие контактного сопротивления между обратной стороной подложки и столом
  • Выжигание контактных площадок силового устройства
  • Измерение малых токов при высоких напряжениях и разной температуре
  • Возникновение электрической дуги, пробоя между близко расположенными элементами
  • Работа с утоненной пластиной
  • Обеспечение безопасности оператора при измерениях

Следует понимать, что для проведения тестирования силовых устройств на пластине необходимо использовать соответствующую зондовую станцию, и это требование не является чисто формальным.

  • Прежде всего зондовая станция должна обладать соответствующей защитой оператора от поражения электрическим током, что особенно актуально, когда измерения проводятся на десятках кВ.
  • Современные мощные измерительные приборы имеют специальные силовые разъемы, которые позволяют исключить нежелательные утечки и добиться гарантированной точности при измерениях. Зондовая станция должна иметь соответствующие ответные разъемы, чтобы обеспечить целостность линии передачи сигнала без внесения дополнительных помех.
  • Особое место стоит уделить непосредственно зондовым головкам, так как именно они обеспечивают надежный электрически контакт с исследуемым устройством для протекания высоких токов.

Непосредственно для этих целей компания MPI разработала линейку зондовых станций, предназначенных для характеризации силовых устройств. Ручные установки TS150-HP, TS200-HP, а также полуавтоматические TS2000-DP, TS2000-HP (рисунок 2) полностью удовлетворяют описанным выше требованиям и обеспечивают возможность тестирования устройств на пластине вплоть до 10 кВ и 600 А в импульсном режиме.

Зондовая станция для проведения измерений силовых устройств TS2000-HP.jpg

Рисунок 2. Зондовая станция для проведения измерений силовых устройств TS2000-HP

Для обеспечения безопасности при работе с установкой предусмотрена специальная камера со световой завесой безопасности для автоматической блокировки измерительных приборов. Таким образом у оператора нет прямого доступа к элементам установки (иглы, стол и т.д), находящими под высоким напряжением, и, соответственно, исключена возможность поражения электрическим током. Для соединения с измерительным оборудованием предусмотрена переходная панель (рисунок 3), которая позволяет произвести коммутацию с измерительным оборудованием и разместить промежуточные модули в непосредственной близости к образцу.

Переходная панель в экранирующей камере для подключения к измерительному оборудованию.jpg

Рисунок 3. Переходная панель в экранирующей камере для подключения к измерительному оборудованию

Чтобы увеличить теплоотвод, пластины с силовыми устройствами утоняют, как правило, до 50 мкм и тоньше. В связи с этим требуется обеспечить надежное крепление утоненной пластины на столе и исключить её повреждение в процессе тестирования. Это достигается за счет использования вакуумных отверстий диаметром 150 мкм, расположенных по всей поверхности стола для равномерного прижатия пластины. Золотое покрытие стола при этом обеспечивает низкое контактное сопротивление с обратной стороной подложки. Для подачи напряжения смещения на столе установлен запатентованный триаксиальный разъем до 10 кВ, с помощью которого можно осуществить полноценное триаксиальное подключение к измерительным приборам и обеспечить низкие токи утечки через стол при измерении напряжения пробоя.

1.jpg
2.jpg
Рисунок 4. Стол с золотым напылением и платформа с дополнительной изоляцией

Особое значение следует уделить исключению пробоя или дугообразованию между разными частями зондовой станции во время проведения измерений на высоком напряжении. В большинстве случаев пробой происходит между контактными площадками на устройстве или между контактной площадкой и дорожкой реза (рисунок 5а) и гораздо реже между иглами (рисунок 5б).

Электрический пробой между контактной площадкой и дорожкой реза
Дугообразование между иглами при разном расстоянии между ними
Рисунок 5. Электрический пробой между контактной площадкой и дорожкой реза (а), дугообразование между иглами при разном расстоянии между ними

Для исключения этих нежелательных эффектов существует несколько решений:
  1. Специальная оснастка на стол для проведения тестирования в диэлектрической жидкости (рисунок 6а). Оснастка размещается поверх стола зондовой станции и обеспечивает возможность погрузить исследуемую пластину во Fluorinert1 . Такой подход позволяет исключить возникновение пробоя, однако является не самым оптимальным с точки зрения токсичности и защиты окружающей среды.

  2. Проб-карта с функцией подачи повышенного давления в области измеряемого устройства (рисунок 6б). В силу закона Пашена, увеличение давления способствует увеличению пробивного напряжения и тем самым гарантирует корректное проведение измерения.

1 Fluorinert – это специальная теплопроводящая диэлектрическая жидкость, устойчивая к нагреву и химическому воздействию. Совместима с различными типами материалов, используется в сфере производства электроники и полупроводников.

Стол для проведения тестирования в растворе Fluorinert
Проб-карта с функцией подачи повышенного давления

Рисунок 6. Стол для проведения тестирования в растворе Fluorinert (а), проб-карта с функцией подачи повышенного давления

Пробой также может произойти и между столом и платформой зондовой станции, так как в момент контактирования расстояние между ними минимально. Именно для этого в установках компании MPI предусмотрена изоляция, расположенная на обратной стороне платформы зондовой станции (рисунок 4), которая исключает возникновение пробоя между ними.

При работе с большими токами необходимо снизить контактное сопротивление с площадкой за счет увеличения площади поперечного сечения контакта с иглой. Для этого, в зависимости от величины протекающего тока, используют зондовые головки с разным количеством игл (рисунок 7 а,б). С их помощью можно проводить тестирования устройств вплоть до 600 А в импульсном режиме. Для подачи высокого напряжения используются высоковольтные триаксиальные (до 3 кВ) или коаксиальные (до 10 кВ) зонды с низкими токами утечки для измерения пробивного напряжения (рисунок 7в). В зависимости от измерительного оборудования ответная часть пробника может иметь разъем типа HV Triax, UHV, SHV или банан.

HCP зондовая головка до 200 А.jpg
UHP зондовая головка до 600 А.jpg  Высоковольтное решение до 10 кВ.jpg

Рисунок 7. HCP зондовая головка до 200 А (а), UHP зондовая головка до 600 А (б), высоковольтное решение до 10 кВ (в)


При измерении параметров силовых устройств в рабочем режиме требуется обеспечить хороший теплоотвод от образца, так как многие физические параметры материалов (ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда, дрейфовая скорость, теплопроводность и концентрация свободных носителей заряда) зависят от температуры. При измерении на постоянном токе характеристики исследуемого устройства могут значительно исказиться либо устройство может и вовсе сгореть. Помимо саморазогрева существует эффект захвата носителей заряда ловушками. Как правило, ловушки образуются за счет внутренних дефектов, дислокаций, различия кристаллических решеток материалов, загрязнений и наличия оборванных связей на поверхности. Наличие ловушек является причиной коллапса тока, различия статической и динамической проводимости, а также частотной дисперсии проводимости. Кроме того, ловушки ответственны за задержку отклика тока на управляющие напряжения на затворе и стоке. Для исключения описанных эффектов измерения проводят в импульсном режиме.

На сегодняшний день существует довольно широкий ассортимент различных приборов для измерения параметров силовых устройств. Наиболее востребованное контрольно-измерительное оборудование представлено ниже в таблице 1. При выборе прибора следуют в первую очередь определить основное его назначение: будут ли это лабораторные измерения с большими требованиями по точности либо же решается задача выходного контроля с высокой скоростью тестирования. В любом случае следует обеспечить надлежащую интеграцию прибора и зондовой станции для достижения заявленных характеристик и высокого уровня автоматизации процесса измерения. К примеру, для характеризации силовых МОП транзисторов на пластине необходимо измерять ВАХ, емкостные и зарядовые параметры. Для измерения каждого параметра предусмотрена своя схема коммутации измерительного оборудования, которая включает дополнительные шунтирующие компоненты (рисунок 8). Чтобы обеспечить измерение параметров в автоматическом режиме требуется коммутационная матрица, с возможностью работы на высоких значениях тока/напряжения и управления через программное обеспечение. Соответственно, вся система, начиная от измерительного оборудования и заканчивая промежуточными коммутационными блоками, должна иметь единую среду управления и систему блокировки для защиты оператора от поражения током.

Схема измерения выходной емкости силового транзистора.jpg
Схема измерения входной емкости силового транзистора.jpg

Рисунок 8. Схема измерения выходной (а) и входной (б) емкости силового транзистора

Как правило, такую задачу решает программное обеспечение, объединяющее зондовую станцию и измерительное оборудование (рисунок 8). Важно понимать, что по умолчанию ни контрольно-измерительное оборудование, ни зондовая станция не комплектуются таким ПО и следует отдельно уделить должное внимание при формировании требований к нему с учетом особенностей процесса тестирования изделия.

Схема взаимодействия измерительного оборудования и зондовой станции.jpg

Рисунок 9. Схема взаимодействия измерительного оборудования и зондовой станции


Таблица 1. Сравнительная таблица измерительных приборов для проведения измерений параметров силовых устройств
Сравнительная таблица измерительных приборов для проведения измерений параметров силовых устройств.jpg
2 Возможно увеличение максимального тока кратно 50 А за счет последовательного подключения модулей 2651A
3 Возможно увеличение максимального напряжения кратно 3 000 В за счет параллельного подключения модулей 2657A

Учитывая множество особенностей при проведении тестирования силовых устройств на пластине, следует уделять внимание комплексному подходу, который включает в себя интеграцию различных узлов (зондовая станция, измерительное оборудование и программное обеспечение) в единый программно-аппаратный комплекс. Специалисты компании ТБС помогут в подборе оборудования непосредственно под конкретную задачу и проведут интеграцию оборудования в единый комплекс, что в конечном счете позволит начать измерения сразу после запуска оборудования с максимальной точностью и автоматизацией, а также избежать временных затрат на доработку.

За дополнительной информацией обращайтесь:

Email: infos@tbs-semi.ru
Тел: +7 (495) 287-85-77

Наверх