Strumenti per il collaudo dei semiconduttori di potenza

STRUMENTAZIONE –

Per la caratterizzazione e il collaudo dei dispositivi a semiconduttore di potenza della prossima generazione è necessario ricorrere a strumenti caratterizzati da un ampio range dinamico e in grado di misurare correnti di perdita di valore molto basso.

Molti comparti dell’industria elettronica, compreso quello dei semiconduttori, si stanno concentrando sull’incremento dell’efficienza energetica, che include l’aumento dell’efficienza a livello di generazione, trasmissione e consumo dell’energia stessa. Tradizionalmente, i produttori di dispositivi hanno fatto ricorso alla tecnologia del silicio per realizzare una varietà di soluzioni utilizzate per il controllo dei motori, la regolazione della tensione, la conversione della potenza e così via. In considerazione del fatto che molti dei semiconduttori di potenza sono utilizzati come commutatori o dispositivi di blocco in queste applicazioni, quanto esposto poco sopra si traduce nella realizzazione di dispositivi più “ecologici” contraddistinti da basse perdite e ridotti valori di resistenza distribuita. Nel contempo, la tecnologia dei semiconduttori si è evoluta consentendo la realizzazione di dispositivi in grado di operare a livelli di tensione, corrente, potenza e frequenza più elevati. Questo apre interessanti prospettive per i produttori di dispositivi poiché i componenti basati su silicio vengono sempre più spesso impiegati in sostituzione di prodotti di tipo elettromeccanico. Tutto ciò è ancora più evidente quando si confrontano le previsioni di mercato per questi tipi di dispositivi di potenza con quelle di altri dispositivi a semiconduttori discreti. Nel comparto dei semiconduttori discreti, ad esempio, è previsto che i transistor di potenza saranno il segmento caratterizzato dai tassi di crescita più rapidi ed elevati e buona parte di questo aumento è imputabile al loro utilizzo in tecnologie e applicazioni collegate all’efficienza energetica.

Applicazioni di potenza complesse
Le applicazioni che richiedono l’uso di semiconduttori a elevata potenza sono divenute via via più complesse e richiedono l’uso di strumenti di test capaci di caratterizzare valori di tensioni nominali e correnti di picco decisamente elevati. Senza dimenticare il fatto, ancora più importante, che i test di perdita e rottura (breakdown) sono eseguiti a valori 2-3 volte superiori di quelli della tensione nominale o di funzionamento, rendendo indispensabile il ricorso a strumenti in grado di erogare e misurare tensioni di valore sempre più elevato. Quando i dispositivi sono nello stato di On, essi devono far passare correnti dell’ordine delle decine o delle centinaia di ampere con perdite minime, mentre quando si trovano nello stato di Off devono bloccare tensioni dell’ordine delle migliaia di volt con correnti di perdita minime. Parecchi produttori di dispositivi di potenza hanno sperimentato nuovi materiali composti come il carburo di silicio e il nitruro di gallio per realizzare dispositivi a semiconduttore di elevata potenza. Tipicamente questi nuovi materiali sono caratterizzati da maggiore densità di potenza, dimensioni ridotte, migliori prestazioni ad alte temperature, risposta in frequenza più elevata, minori perdite e On resistance più bassa rispetto al silicio, il che equivale a un aumento dell’efficienza operativa. A loro volta, i dispositivi basati su materiali quali SiC e GaN sono caratterizzati da perdite nettamente più basse rispetto a quelli realizzati in silicio. Così, mentre da un lato è necessario erogare tensioni di valore più elevate per il collaudo, dall’altro è richiesta una sensibilità molto maggiore nella misura della corrente. La caratterizzazione di questi nuovi dispositivi a livelli di corrente molto bassi può risultare un compito impegnativo. In molti casi sono richiesti speciali cavi triassiali per garantire l’immunità al rumore sufficiente per la caratterizzazione di queste correnti di valore ridotto.
Carburo di silicio, nitruro di gallio e altri materiali semiconduttori composti sono molto difficili da lavorare e da controllare dal punto di vista del processo rispetto al silicio tradizionale. Semplicemente queste tecnologie non sono mature come quella del silicio, e questo comporta l’insorgere di problemi per i responsabili della progettazione e della caratterizzazione di questi dispositivi, e per chi si occupa di assicurazione della qualità, analisi dei guasti e monitoraggio di processo. I costi più elevati necessari per fronteggiare queste problematiche, così come quelli dei materiali stessi, si traduce in un prezzo dei dispositivi solitamente più elevato rispetto a quello degli analoghi componenti in silicio. Per questo motivo il costo del test, soprattutto quello finale, riveste una notevole importanza: senza dimenticare che il test deve essere eseguito in modo scrupoloso per soddisfare i requisiti di affidabilità richiesti dai clienti finali.
Di conseguenza, il problema per i produttori di semiconduttori di potenza è sviluppare e realizzare in tempi brevi e in modo profittevole dispositivi in grado di operare a elevati livelli di potenza e contraddistinti da perdite molto basse. Da qui la necessità di individuare rapidamente nuovi approcci per la strumentazione di collaudo. Quando i semiconduttori di potenza erano prodotti utilizzando esclusivamente tecnologie basate su silicio, gli intervalli di misura non erano così estesi e “impegnativi” come quelli attuali. Poiché l’evoluzione dell’industria dei semiconduttori di potenza è stata relativamente lenta nel corso degli anni, le tipologie di apparecchiature esistenti erano in grado di soddisfare in larga misura i requisiti di test dei produttori di questi dispositivi: dal canto loro, i costruttori di strumenti di test non avevano motivazioni valide per sviluppare nuove soluzioni suscettibili di futuri miglioramenti. I produttori di alcune di queste soluzioni di test hanno fatto in modo che queste divenissero obsolete, a causa della diminuzione della domanda, dell’aumento dei costi di supporto e della riduzione della profittabilità.

Le soluzioni di misura e collaudo disponibili
Negli ultimi tempi la sempre maggiore richiesta di prodotti più efficienti in termini energetici e più compatibili con l’ambiente, ha contribuito a rivitalizzare l’industria dei semiconduttori di potenza. I produttori si stanno sforzando per ottenere il massimo, in termini di efficienza e prestazioni, dai nuovi dispositivi, indipendentemente dal fatto che siano realizzati in silicio, in carburo di silicio o in nitruro di gallio. Il ritorno alla crescita dopo anni di stagnazione ha permesso ai produttori dei dispositivi di potenza di rendersi conto che le apparecchiature T&M che hanno utilizzato per svariati anni non sono in grado di soddisfare i requisiti legati allo sviluppo di nuovi prodotti. Queste soluzioni oramai datate non danno la possibilità di misurare correnti di basso livello o non garantiscono l’accuratezza richiesta per la caratterizzazione dei dispositivi e materiali della prossima generazione. In molti casi, inoltre, non hanno la potenza necessaria per supportare gli odierni livelli di caratterizzazione e operativi. L’industria T&M, quindi, si è trovata nella necessità di recuperare il terreno perduto per soddisfare queste nuove richieste e molti dei costruttori tradizionali non sono ancora in grado di proporre soluzioni adeguate. Sebbene sul mercato siano stati introdotti nuovi analizzatori di parametri destinati ad applicazioni di nicchia (come ad esempio la caratterizzazione nei laboratori R&D), il loro prezzo non è alla portata di molti dei potenziali acquirenti (sempre più attenti anche al ritorno dell’investimento). Essi, inoltre, non sono in grado di soddisfare i requisiti per il test di produzione e il controllo qualità/analisi dei guasti (QA/FA). In modo analogo, l’integrazione di un sistema che abbini funzioni di erogazione di elevata potenza con misure di basse correnti è un problema tecnico di notevole entità: sistemi custom di questo tipo richiedono la presenza di gruppi di ingegnerizzazione numerosi per il loro sviluppo e la loro manutenzione, ragion per cui risultano utili solamente per il test in produzione. I tradizionali tracciatori di curve (curve tracer), sebbene risultino adatti per alcune applicazioni QA/FA e di R&D dove sono in gioco potenze di valore non elevato, non dispongono di funzioni per la misura di basse correnti e sono reperibili solo nel mercato della strumentazione usata. I modelli di più recente introduzione ancora non dispongono delle caratteristiche – in termini di misura di basse correnti, precisione, livelli di potenza e prezzo – richieste dai produttori di semiconduttori di potenza. Sebbene i sistemi Ate commerciali siano sempre stati impiegati per il collaudo in produzione di semiconduttori di potenza il loro costo, le dimensioni, la mancanza di funzioni di caratterizzazione e di misura di basse correnti non li rendono idonei all’uso nei laboratori di R&D e nelle applicazioni QA/FA. Gli alimentatori, essendo strumenti a singolo quadrante, non possono assorbire potenza: di conseguenza essi richiedono parecchi secondi per la scarica della capacità dopo il collaudo, rallentando quindi il processo il che rappresenta un problema nelle applicazioni di produzione. La sicurezza è un altro elemento da tenere nella massima considerazione: da qui la necessità di prevedere dispositivi di blocco di sicurezza, doppia massa e altre funzioni per la salvaguardia sia degli operatori sia di strumenti particolarmente sensibili. In Europa, in particolare, gli standard per la sicurezza come ad esempio IEC 60601 contengono direttive importanti per lo sviluppo del progetto del sistema.

Un nuovo approccio al collaudo
Alla luce di tali considerazioni, i produttori hanno cercato di individuare un nuovo approccio per il collaudo di dispositivi e materiali semiconduttori di elevata potenza. Un certo numero di costruttori di strumentazione T&M, tra cui Keithley Instruments, ha iniziato a utilizzare le risorse di erogazione e misura integrate di una Smu (Source Measurement Unit) per affrontare in maniera efficace le problematiche esposte. In linea di principio, le Smu sono sorgenti di tensione e corrente con funzioni di readback (rilettura) caratterizzate da una risposta veloce e un’elevata accuratezza di misura: tutte queste funzionalità, ovviamente, sono integrate in un solo strumento.
Nelle fasi iniziali di utilizzo di questo approccio, la limitazione più importante di questi strumenti era rappresentata dai range abbastanza limitati – le Smu esistenti non erano in grado di fornire i livelli di potenza richiesti per caratterizzare in maniera accurata dispositivi a semiconduttore di elevata potenza. Il primo passo per superare questa limitazione è stato l’introduzione, da parte di Keithley, del SourceMeter ad alta potenza 2651A esplicitamente ideato per la caratterizzazione di elevate correnti dei circuiti elettronici ad alta potenza. Come tutte le Smu della serie 2600A di Keithley, anche il 2651A integra in un singolo strumento a quattro quadranti che occupa un solo rack le seguenti funzionalità: analizzatore parametrico di semiconduttori, alimentatore di precisione, vero generatore di corrente, Dmm, generatore di forme d’onda arbitrario a bassa frequenza, generatore di impulsi, carico elettronico e controllore di trigger. Il 2651A si distingue per il più ampio intervallo di corrente al momento disponibile: esso può erogare una potenza impulsiva fino a 2.000 W (40V a 50A) o 200 W di potenza continua. Lo strumento può inoltre erogare e misurare correnti comprese tra 1 pA e 50 A: il range di corrente impulsiva può essere ampliato fino a 100 A collegando due unità.

Per collaudi a valori di tensione elevati
Nonostante il 2651A sia in grado di soddisfare parecchie delle esigenze di collaudo dei semiconduttori a elevata potenza, vi sono altri fattori da prendere in considerazione. Per consentire l’esecuzione di collaudi a valori di tensione più elevati per questi materiali e dispositivi, Keithley ha sviluppato un prodotto complementare ottimizzato per applicazioni in cui sono richieste erogazione di tensioni elevate, velocità di risposta e precisione nella misura di correnti e tensioni. Il SourceMeter 2657A  è stato espressamente ideato per soddisfare le necessità dei progettisti e dei produttori di semiconduttori di potenza, dei ricercatori che operano nel settore dei materiali e dei dispositivi a semiconduttore di potenza e di quelli che sviluppano dispositivi elettronici di precisione, in particolar modo quelli destinati ai mercati militare/aerospaziale, automobilistico e medicale. I due strumenti insieme rappresentano una soluzione efficace per molte delle attuali applicazioni nel campo dei semiconduttori di potenza e possono essere utilizzati da più divisioni all’interno di una singola organizzazione. In questo modo è anche possibile effettuare la correlazione delle misure nei diversi stadi dell’intero processo di commercializzazione, fatto questo che contribuisce ad accelerare la risoluzione dei problemi e ridurre il time to market. Grazie alla capacità di erogare fino a 180 W di potenza sia continua sia impulsiva, il 2657A fornisce il più elevato livello di potenza al momento disponibile per valori di tensione molto elevati (3.000 V). Un intervallo così ampio permette di acquisire dati parametrici importanti che altri sistemi non sono in grado di rendere disponibili. Altre unità di erogazione/misura presenti sul mercato in grado di erogare fino a 3.000 V sono limitati a soli 12 W di potenza. Il 2657A assicura la velocità necessaria per erogare in tempi rapidi impulsi ad alta tensione, come ad esempio un impulso da 3000 V in meno di 15 ms o un impulso di 500 V in meno di 2 ms.
Grazie a due set di convertitori A/D caratterizzati da elevata velocità e accuratezza in grado di garantire un campionamento di 1 microsecondo per punto, il 2657A consente la caratterizzazione precisa del comportamento transitorio e nello stato stazionario, compresi gli effetti termici che variano molto rapidamente. La risoluzione a livello di 1 fA permette di misurare i ridotti valori di correnti di perdita dei dispositivi della prossima generazione.
Il backplane virtuale TSP-Link del 2657A semplifica la creazione di sistemi scalabili operanti ad alta velocità con un massimo di 32 nodi. I costruttori possono realizzare sistemi per il collaudo di semiconduttori di potenza multi canale ad alte prestazioni in grado di rivaleggiare in termini di velocità con sistemi Ate di grandi dimensioni di costo nettamente superiore. I controllori di trigger da 500 ns integrati consentono di effettuare una temporizzazione precisa e una sincronizzazione molto accurata dei canali tra gli strumenti.
Nel caso di applicazioni da banco o nel settore della R&D, una fixture di collaudo per dispositivi a elevata potenza opzionale fornisce le connessioni per il test di dispositivi ad alta potenza ospitati nel loro package fino a 3.000 V o 100 A: in tal modo la configurazione di un sistema di collaudo che comprende Smu sia a bassa sia ad alta potenza risulta più semplice e sicura. Il 2657A può essere abbinato con altre Smu della serie 2600A e con il 4200-SCS per supportare funzionalità di collaudo multi terminale. Appositi moduli di protezione e di interconnessione opzionali contribuiscono a semplificare e rendere più sicura la connessione di molteplici strumenti a una stazione di sondaggio (prober), un manipolatore e altre fixture custom. Una porta presente sul lato posteriore consente l’accesso al Dut da parte di un oscilloscopio o di una sonda di temperatura. Il TSP Express, l’utility software per il test I-V basata su LXI di Keithley, permette di caratterizzare i dispositivi senza bisogno di installare software o programmare. Molto semplicemente gli utenti possono collegare un Pc alla porta Lan Lxi e accedere a TSP Express con qualsiasi browser web che supporti Java. Per la caratterizzazione dei componenti è altresì disponibile come opzione il software ACS Basic Edition. Le librerie di misura integrate si riferiscono a un’ampia gamma di dispositivi di potenza – tra cui Fet, Bjt, diodi, Igbt e molti altri – e includono test delle caratteristiche di ingresso, uscita e di trasferimento su parecchi dispositivi.

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