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).

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

Рисунок 9. Схема взаимодействия измерительного оборудования и зондовой станции

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