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IWATSU SiC IGBT功率半导体图示仪CURVE TRACER (全球范围内唯一实时扫描)

发布时间: 2021-05-29 浏览次数:
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前言

由于IGBT在功率半导体的市场日趋重要,使用新的测试方法来测试产品特性及生产是必须的。在此介绍的模组化测试系统是瞄准功率电晶体的静态及动态量测,讨论的是IGBT设计者或是此类设备采购者最关切的需求。首先列出IGBT测试所须的线路图并定义所有的参数,最后再就控制系统的选择举一实例来说明该系统的基本架构。

 

IGBT测试系统需求

近年来,电子工业不断发展功率元件及系统,而电力电子工业中使用IGBT装置的数量也急速增加。由半导体至电力产品之制造厂皆希望在这些产品中改善成较好的效率及降低所有工业制程步骤的成本,从产品的研发至最后产品品质的控制过程皆必须被完善控制。对这些所有的步骤,测试相对地变的非常重要,且必需准确及可靠。对在生产过程而言, 测试设备须具备多样的特点来配合不同的测试需求。研发工程师需要知道其特性便于其设计,生产的人员须要快速且容易使用的工具,可控制他们的生产制程,品质管制人员则需要检查他们所组合的产品的特性及收集他们的结果来做统计分析。

(一)多用途性(Versatility)

现代的测试设备所须的功能,必须能不被限制其最大电流及电压之供给。目前IGBT的产品其电流可通过1200A及阻断电压可高达3300V,但不久之后IGBT的产品即会有达到4500V及2000A的能力。且无人可预测未来其电压及电流可达到多少,再者,现今IGBT 的测试设备,也须能测试新元件MCTS ( MOS Contrlled Thyristort) 或是IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)。

因此,测试设备的评估上,须能适应及符合未来可能的发展,其不论是硬体,如电压电流产生器或软体上。

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(二)操作简单(Ease of Handling)

测试设备除了上述之特色外,应仍保持操作简单及效率佳的能力。达此目的最佳之方法即是使用者不须具备特殊训练即可操作此设备。如有使用晶体管特性图示仪的用户,操作起来会更加方便。此测试系统亦可经常地改变测试的半导体元件的型式(通常一天数次),对新的半导体元作的型式其可能会须要不同的制具(jig),或是更复杂的驱动闸控制,或是一缓冲器 (Sunbber) 的保护等。因此,使用模组化系 统即可达到上述之需求。在一个基本的测试系统上,加上一些可更换的测试单元,使其可执行不同范围产品的量测。

(三)安全性(Safety)

IGBT的测试系统因其可提供非常高的电压输出,对操作者来讲是有一 潜在的危险性,当在操作高电压及大电流时,操作员的安全性应予以考虑,即该设备须在不同国家的规范中皆可符合其安全标准。

在执行测试时,在危险的区域应使用滑动式门锁定而予以保护,所有参数皆应设置于安全的工作区域中,所有的保护措施的控制皆应由硬体部份来控制,而不是软体来控制。很显然的,在整条生产线上(研发测试时),时间是一个很重要的因素,因此,安全系统必须要很方便,而尽可能地对测试的速度影响愈小愈好。

静态测试(Static tests)

此测试之目的在提供元件(device)的详细特性,让设计者能精确地预测元件在稳态(Steady state)情况时之行为,此可协助使用者选择最佳的元件来用于他的应用中,更进一步地让其对与半导体元件相连接的设备如:电压钳式单元,闸极驱动,冷却系统等的设计更为妥切。

(一)集射极崩溃电压 (Collector Emitter Breakdown Voltage) VCEs 

量测于特定的集极电流IC下闸极短路至射极时,跨于集、射极两端之电压为VcEs 如图1, IGBT 的集射极崩溃电压是会随着介面(Junction)温度增加而增加的(典型对600V之IGBT 会有0.7V/℃)

(二)集极至射极的泄漏电流IcEs [或称为集极的截止(Cut-off )电流]

在额定的集射极电压和闸射极短路下之集极电流为IcEs值(如图2), IcEs的量测通常在25℃及最大的工作介面(Junction)温度,且集极泄漏电流 亦会随介面温度升高而增加。因此,在测试期间限制电流流过及避免 thermal升高是很重要的。

(三)集极至射极的饱和电压   (Collector to emitter saturation voltage) VcEsat 
VcEsat(图3)是在特定的集极电流,闸射极电压及介面温度时之集射极导通电压VcEsat是相当重要的特性,因为其会决定导通之损失,在大的 极电流时,测试的脉冲必须非常短,如此不致有过多之损失。

 

(四)二极体顺向电压(Diode Forward Voltage) VF

VF(图4)是指IGBT模组中的飞轮二极体(Freewheeling Diode)在特定电流

及介面温度时之顺向导通电压值。

(五)闸极临界电压(Gate threshold Voltage) VGeth 

VGeth(图5)是指在特定集极电流及闸极短路至集极时之射极的电压值。 当闸射极电压小于临界值时IGBT是OFF状态,因此闸极临界电压即是闸射极电压使IGBT导通并流过特定的集极电流。VGEth是随着介面温度遽增而递减的(-11mV/℃)。

 

(六 )跨导(Transconductance) gfs

跨导(gfs)(图6)是于特定集极电流时,集极电流和闸射极电压之商数 。 跨导是用来表示IGBT增益的方式。由于跨导的量测是在清楚严格的特定条件下所做的两个量测之值,因此,测试设备的精准性对测试结果有很大的影向力。

 

第二种方法是调整闸射极电压至特定的集射极电压(VP)并思考下列式子:

△ VGE = △Vp

IGBT的顺向跨导是会随着介面温度升高而增加的,其原因在于定闸极电压时,增加集极电流时,因电流Thermal run-away而会使晶片温度升高,因此IGBT 并不被建议来当做一个线性放大器使用。

(七)闸极电荷(QGE, QcG, QG)及闸极电容(Cies, Coes, Cres)

QGE(图7)是由驱动电路传送。使用闸射极电压达可维持特定集极电流之电荷值。 QCE是由驱动电路传送。允许跨于闸极电容的电压,由特定之值降至最后导通值之电荷值。 QG是闸极总电荷值,是QGe是QcG及另一附加之成份之总和,此附加之值和闸极"Overdrive"电压有关由于有一些未知的杂散(stray) 电容存在电路中,所以校正脉冲是必须的。在每一测试前都会先测试杂散(Stray)电容,并用该值来修正闸极电荷/电容之值。此杂散电容会依接线及气候温度等条件而变化。

闸极电荷及电容之规格在规划闸极驱动电路及决定闸极驱动损失时是非常有用的。

(八)闸极至射极之泄漏电流IGEs

IGEs(图8)是指在特定的闸射极电压及集极短路至射极时闸极之泄漏电流 。此测试可能可以知道正或负的闸射极电压。所量测的电流是相当小的,因此,脉冲至少须维持一个电源周期的积分时间,避免因闸极电容吸收的电流所产生之误差。此量测必须在闸极电压稳定后才可进行。

九、晶圆级ON-WAFER 高压/大电流探针台测试系统



ON-WAFER 在片测试



对大多数IGBT的使用者而言,测试不只是对单一个电晶体给一个点火的电力脉冲并取其结果,其更有兴趣知道的是这些元件在他们应用设计中的电路行为。基于此原因,我们必须尽可能增加量测在IGBT模组中的半桥组合。 于图9中切换开关时之特性(图9), 电流流经负载及DUT。而该组切换开关之目的乃在使其量测时可同时量测其中的一个IGBT及其它一个IGBT的飞轮(freewheeling)二极体。切换开关动作的时间及要测试的。 
IGBT中集极所须的电流脉冲是闸极驱动电路来提供的如图10,如同其它许多应用一般,二极体的dI/dt是IGBT和自我产生的,图11至13所产生的波形是如同真实情况所发生的一样。而在实际的设计组合中,在所有电力模组间的连接线是愈短愈好,并使用汇流排(bus bars),以并保持内部所有的杂散电感低于50至100nH 此系统亦可适用于测试不论是电阻性或电感性负载时切换之量测并包括闸极特性。该测试方法可快速测试单一或双个元件,并可用于特性测试,或是量产及最后品检的用途上,该测试系统主要单元是一数位储存示波器连接至特殊的设计的电压及电流探棒上,此设计对量测上最大的好处是可测试一个非常重要的参数;切换能量(Switching Energy)。此方法之量测所得之值,比市场上其他的测试设备所得之值精确许多。 
该测试系统中我们所特别关心的是闸极驱动电路之设计的电感值愈低愈好,因为其电感可能会与IGBT介面中的电容产生寄生(parasitic)振荡。由闸极控制电路至射极侧的导线,必须连接至不同的端点上,以避免与集射极主电路发生耦合之现象。 
于规格中所载最大的闸射极额定电压(大多是±20V)VGEs是不可被超过的。因为若超过了,可能会使IGBT发生故障。在一个产品线测试系统中,其最可能常用的方法是介于闸极及射间,连接一个电压保护装置(Z 二极体)。因此介于闸极产生器及UUT间之连线必须设计用来限制电线中的波形反射效应。使其能非常小。     
(一)切换时间及切换损失(Switching Times and Saritching Losses) 
对IGBT而言,切换时间是与闸射极电压及集极波形有关。IGBT的切换时间是内部电容及模组中的寄生电感,及闸极驱动电路的内部电阻所决定的。 1. 导通的延迟时间td(on) ( Turn on delay time) 
由于闸极驱动电路的内部电阻和IGBT的闸射极电容的原因使得闸射极电压VGE上升的陡峭度不如闸极驱动电路所产生的电压。当VGE达到VGE(th)的临界电压时,集极电流即开始上升,td(on)是介于闸极驱动电路电压及IGBT集极电流开始上升时之时间,以上二个参数所采用之值皆是以其达到最后平稳值的10%时之时间。 
2. 电流上升时间tr (Current Rise Time ) 
tr的时间是介于Ic电流达到10%及90%之最后稳定值之时间,实际上因二极体回复电流之故,IGBT电流会过激其输出电流,因此IGBT电流上升至达峰值的电流的时间会比达90%输出电流的时间来得大。 
3. 导通时间Ton (Turn-on Time ) 
ton是定义为导通延迟时间td(on)和上升时间tr之总和。 
4. 导通切换能量Eon (Turn-on Switching Energy Eon) 
Eon是指当IGBT导通时消耗的总能量,在电感负载的例子中,在导通前,会有预载电流流入反向IGBT的二极体中。
图11中的集极电流的峰值(Peak)是因为此二极体反向的回复电流所造成的,而此峰值电流于计算导通电力消耗计算时应被考虑进去的。在导通的结束时集射极电压VcE通常尚未降至其最后的饱和值VcEsat,因此当计算导通的消耗时,此点应同时予以考虑。 
当闸射极电压开始低于临界电压时,IGBT即会截止导通。在测试中避免因Miller电容的短路而切换导通,通常闸极电路是切换至0或是负电压的。 
5. 截止延迟时间tdoff ( Turn-off delay time tdoff) 
tdoff的时间是介于当闸射极电压降至其90%最后稳定值之瞬间之时间与集极电流IC降至90%最后稳定值瞬间点之时间。 
6. 下降时间Tf (Fall Time tf) 
tf为一个波段之时间。即是当集极电流降至其10%最后稳定值之时间。 
7. 截止时间Toff 
toff是定义为截止延迟时间与下降时间tf之总和。 
8. 截止切换能量(Turn off Switching Energy) 
Eoff是指当IGBT截止时所消耗的能量,此能量的量测是一个区间,Eoff 是由10%的测试VcE电压的点开始算起至数个μs的时间来计算的,由于在截止时间的tail电流之影向,相对的,较长的时间周期应予考虑(典型值是5μs) 
9. 二极体反向回复能量Erec 
二极体的反向回复的主要影向是会导致欲使IGBT导通时的能量须增加。某些制造商会将此值加至IGBT的Eon规格中不另外再说明或规范其他规格来表示二极体的切换时所发生的损失。 
(二)短路测试(Short-Circuit testing) 
IGBT比其它功率电晶体多的其中之一优点即是,它有能力可承受较大短路,短路测试电路及其测试波形之组合如图14在所定规格的条件下,短路电流可升至元件的额定电流的10倍。所以测试的设备必须能于非常短的时间(大多数是10~50μs)在相对于小的集射极电压的情况下传送出非常大的电流。 
可程式化之能力 
为了说明模组化测试系统的控制,我们举一个典型的静态VcEsat量测为例来说明。 测试所须的设备如图3(VcEsat test) 所示之电路。我们假设测试元件是单独及适当地或处于测试的位置,且环境温度亦控制在所需求的规格内(handler 手动或自动模)。 
如上所述在执行此测试时需于一非常短的时间内,以避免半导体元件之温度升高。因此规范每种型式的测试时,意味着需要非常准确的时基(timing) 由图15得知,最初动作的元件是闸极驱动电路,其确保半导体在整个测试期间皆是处于导通的状态上,然后电流产生器供给一个脉冲电流,其峰值是与测试所规范的集极电流有关的。脉冲的斜率是会被产生器的特性及与后端待测件的连接而改变,特别是会受到导线内的杂散电感所影向,所以为避免其它不必要的干扰,最好能做到准确控制电流的上升及输出的稳定。 当集极电流被稳定在特定的规范值时,其就可能准确的量测导通中IGBT的集射极电压。待测半导体元件置于称为DUT的输出上,而连接至相关的产生器(其中IPL2000是2000A的电流 产生器,而TRCg是闸极驱动器)及由一程式化的介面及电驿所组成的量测装置上。每一个装置皆经由一个称为功能模组(Fuaction module)FM透过电气讯号来控制。以电流产生器为例,其组成可由数个IPL2000功率模组并联后再由一个功能模组来控制。测试前,每个模组是透过光纤串联汇流排将其组合而成,当要执行此组合时来测试时,产生器模组立即地准备来输出测试所须的电压或电流而功能模组则会送出一个"Ready"的信号在光纤汇流排上,此时此测试才可开始执行。 


 图15所示的同步脉冲是经由不同的光纤线传送至每个功能模组中。而每个功能有能力做出一些基本参数来产生一脉冲波形使产生器维持 其线性输出, 控制单元之组成是由一具CPU的工业级电脑来控制的,并加有光纤汇流板,可产生同步脉冲的时间计时板,及GPIB汇流排控制板。 
如同一般性模组化概念一样,此测试系统的软体是区分成各别独立的单元,每个软体模组称为Server,控制一个硬体单元,如图16所示,如:IPL-server, GPIB-server等等。在这些server间的他们相互的通讯是经由称IPL,(Inter prdcess communication)的讯息来传递。
IPCs包含测试的资讯:亦即是IPL2000的最大电流及斜率,量测电压范围process,时间板的脉冲区间(Pulse duration)。有关测试较一般性的资料,亦如其它独立的单元含于程式中,称为测试体(test Entity)等,它是一个测试的实体,可立即了解有那些测试的单位伴随在此测试中。 
对生产线上所须要的完整测试及所需的测试参数,皆可让使用者编辑成一个顺序程式来执行测试,而测试的结果亦可储存在与使用者使用的资料库相容的档案中。 
实际上,数个servers和测试的实体必须可同时地操作,使操作系统能同时执行数个工作及及时(real time)的工作。而每个server皆是独立的可各个分段地更新软体,而不须修改全部的软体。为了方便更新维护及发展,PCs的部份须具有Ethernet卡或是Modem,其可让使用者可方便地载入新版的软体或是新的软体发展器。具有多使用者操作系统(multi-user)也同时可遥控此测试器的功能,是尔后检查或维护是非常有帮助的.