Leistungshalbleiter charakterisieren Wie ein Power Device Analyzer bei kritischen Designs unterstützt

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bsw TestSystems & Consulting AG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

In immer mehr elektronischen Geräten sind Leistungshalbleiter verbaut. Entwickler müssen immer einen Blick auf die elektrischen Eigenschaften haben. Hilfe bekommen sie durch Messtechnik.

Leistungshalbleiter haben sich im letzten Jahrzehnt zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner elek­tronischer Geräte entwickelt. Die Hersteller der elektronischen Geräte reagieren auf die gestiegenen Anforderungen mit immer neuen Technologien, die es ermöglichen, die Effizienz der Geräte zu steigern und die Kosten zu senken. Dieser Wandel erfordert neue Ansätze im Hardware-Design und ein generelles Umdenken in den Betriebsabläufen.

In immer mehr elektronischen Geräten - sowohl im industriellen als auch im privaten Umfeld – werden heute große Mengen an Leistungshalbleitern eingesetzt. Hocheffiziente Akkus in unseren Mobiltelefonen, Tablets und Laptops kommen ohne ausgefeilte Ladeelektronik und Batteriemanagement nicht mehr aus.

Es sind mehr Leistungshalbleiter verbaut

Die verschiedenen Haushaltsgeräte, von der Waschmaschine bis zur Mikrowelle, sind heute in vielen Fällen vernetzt und lassen sich über das Internet steuern. Hinzu kommt die zunehmende Elektrifizierung des Individualverkehrs. Sie erfordert den flächendeckenden Einsatz intelligenter Ladekonzepte sowohl auf Seiten der Energieversorger als auch auf Seiten der Hersteller (sei es von Automobilen, eBikes oder anderen elektrischen Fortbewegungsmitteln), was nur durch den Einsatz leistungsfähiger Halbleiter möglich ist.

Schließlich ist auch die Stromerzeugung und -verteilung mit den heute geforderten Wirkungsgraden nur mithilfe modernster Leistungshalbleitertechnologie realisierbar.

Der Entwickler einer Schaltung, in der Leistungshalbleiter eingesetzt werden sollen, interessiert sich in erster Linie für deren elektrische Eigenschaften. Sie unterteilen sich in:

• absolute Grenzdaten,

• statische Betriebsparameter und

• dynamische Kennwerte.

Grobe Anhaltswerte können dem Datenblatt des Herstellers entnommen werden. Absolute Grenzwerte geben die maximalen Werte bestimmter Betriebsgrößen an. Beispiele für statische elektrische Grenzwerte sind:

• Maximal erlaubte Spannung zwischen Drain und Source eines Power MOSFETs im stabil ausgeschalteten Zustand (beispielsweise V_g = 0 V)

• Maximal erlaubter Drainstrom bei einer bestimmten Gatespannung

• Schwellspannung am Gate (V_th bei einem bestimmten Drainstrom)

• Leckstrom zwischen Drain und Source bei einer bestimmten Drain/Source-Spannung im stabil ausgeschalteten Zustand (beispielsweise V_g = 0 V)

Statische Betriebsparameter eines Leistungshalbleiters

Einige der Grenzwerte sind zusätzlich temperaturabhängig parametriert. Die statischen Betriebsparameter sind Darstellungen der Kennfelder (Kennlinien) der Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen. Typische Kennlinien sind:

• Ausgangskennlinie,

• Transferkennlinie,

• Kennlinie von RDS_on über der Temperatur,

• Gatecharge und

• Kapazitäten.

Statisch werden diese Messungen genannt, weil sie zu einem Zeitpunkt gemessen werden, zu dem sich das Bauteil stabilisiert hat und nicht während eines Schaltvorgangs. Um die Leistungsaufnahme und damit die Erwärmung des Bauelements zu minimieren, werden diese Messungen jedoch häufig gepulst durchgeführt.

Das gilt insbesondere für die Arbeitsbereiche, in denen der Transistor eingeschaltet ist. Die Messung der Gatecharge und der Bauteilkapazitäten sind streng genommen Übergangsfälle zu den dynamischen Messungen, da hier (langsame) Schaltvorgänge betrachtet werden (Gatecharge) oder die Messung mit „hochfrequenter“ Anregung erfolgt (Kapazitäten).

Genauer als in den Datenblättern

Bei den klassischen dynamischen Kenngrößen wird das dynamische Verhalten von Spannungen, Strömen und Energien über der Zeit während des Schaltens betrachtet. In Datenblättern finden sich häufig typische Angaben für beispielsweise Ein- oder Ausschaltzeiten unter bestimmten Randbedingungen. Bei den Angaben in den Datenblättern handelt es sich um Richtwerte, die von den Halbleiterherstellern mithilfe statistischer Methoden an einer Vielzahl von Proben ermittelt wurden.

Abweichungen einzelner Parameter sind durch Prozessschwankungen während der Herstellung durchaus möglich. Für einen Hersteller von kundenspezifischen elektronischen Schaltungen oder Geräten wird es immer schwieriger, allein mithilfe veröffentlichter Daten eine zuverlässige Auswahl aktiver Bauelemente für den jeweiligen Anwendungsfall zu treffen. Um ein Maximum an Effizienz und Leistung aus den Schaltungen herauszuholen, benötigen die Entwickler genauere Daten, als sie in den Datenblättern zu finden sind.

Messsystem unterstützt bei der Suche nach vergleichbaren Ersatztypen

Ein modernes Qualitätsmanagement wird die Datenblätter der Hersteller nur als Ausgangspunkt für detaillierte eigene Untersuchungen nehmen und die Entwickler bei der Auswahl geeigneter Komponenten aktiv unterstützen. In der aktuellen Mangelsituation kann ein leistungsfähiges Messsystem die Suche nach vergleichbaren Ersatz­typen sinnvoll unterstützen. Je nach Anwendungsfall werden für die Fehler- oder Ausfallanalyse auch eigene Daten zu elektrischen Kenngrößen benötigt. Konkrete Messungen mit einem anerkannten Messgerät stellen die Diskussion bei eventuellen Reklamationen auf eine solide Basis.

Die globale Kriminalität hat auch vor dem Komponentenmarkt nicht Halt gemacht. Eine Wareneingangsprüfung kann sich längst nicht mehr auf eine reine Sichtkontrolle verlassen. Auch hier wird es zunehmend notwendig, vor allem hochwertige Bauelemente auch auf die Konsistenz ihrer elektrischen Parameter zu überprüfen. Hier hilft vor allem ein genauer Blick auf die Kapazitätskurven und die Messung der Gatecharge.

Einfache Prüfmittel reichen für Leistungshalbleiter nicht aus

Die Frage, welches Messgerät oder Testsystem für den jeweiligen Betrieb das Richtige ist, hängt von vielen Faktoren ab. Dennoch lassen sich die Anforderungen relativ einfach präzisieren.

Einfache Prüfmittel wie Ohmmeter, Multimeter, Netzgeräte oder einfache Kapazitätsmessbrücken sind preiswert und meist einfach zu handhaben, aber völlig unzureichend. Hier werden keine konkreten Bauteilparameter unter kontrollierten Randbedingungen gemessen. Generische SMU (Source Measure Unit) basierte Lösungen zur Messung statischer Parameter sind flexibel und genau, erfordern aber meist zusätzlichen Aufwand für Software und umständliche Bauteilaufnahmen („Fixtures“).

Zudem sind die Randparameter (Ströme, Spannungen) für Leistungshalbleiter oft nicht ausreichend. Da es sich überwiegend um Eigenbauten handelt, ist hier auch die Sicherheit und Bedienerfreundlichkeit ein wesentlicher Aspekt, der nur mit großem Aufwand erreicht werden kann.

Kritische Designs und dynamische Kennwerte

Messaufbauten zur Aufnahme dynamischer Kennwerte erfordern einen unverhältnismäßig hohen Aufwand. Der Aufbau und die Wartung des Aufbaus erfordern hochqualifiziertes Personal, das überwiegend oder besser ständig mit der Aufgabe beschäftigt ist.

Die Analyse dynamischer Kennwerte (Schaltzeiten und -energien) hat vor allem für kritische Designs einen nicht zu unterschätzenden Wert, erfordert aber fundiertes Expertenwissen und ist daher für die meisten Halbleiteranwender eine zu große Investition.

Das Prüfmittel mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis ist der Power Device Analyzer. Im Gegensatz zum klassischen Curve Tracer, der immer noch häufig eingesetzt wird, verwenden diese Geräte die bereits erwähnte SMU-Technologie und bieten damit ein Höchstmaß an Genauigkeit und Flexibilität. Moderne, modular aufgebaute Geräte können die statischen Parameter eines breiten Spektrums von (Leistungs-)Halbleitern messen.

Optional können auch Kapazitäts- und Gatecharge-Messungen durchgeführt werden. Abgerundet wird ein solches Gerät durch eine einfach zu bedienende Benutzeroberfläche und eine sichere Prüflingsaufnahme. Als kompakte Arbeitszelle auf Rollen kann ein solcher Messplatz für viele der oben genannten Funktionen (beispielsweise Wareneingangskontrolle, Qualitätssicherung, Entwicklung und Fehleranalyse) flexibel im Unternehmen eingesetzt werden. Die nicht unerheblichen Investitionen für einen solchen Messplatz können so intelligent verteilt und optimal genutzt werden.

* Norbert Bauer ist zuständig für DC-Parametrics bei bsw TestSystems & Consulting AG.

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