מבוא
חדירת הבקרה האלקטרונית והמרת הספק אלקטרונית למגוון תעשיות ( למשל ייצור אנרגיה, הפעלה ובקרה של מנועים תעשייתיים, תחבורה ו- IT ) גרמה לעלייה בפעילות התכנון והבדיקה של רכיבים מוליכים למחצה להספק גבוה. כדי להוכיח שיפורים טכנולוגיים, יש להשוות את יכולות הרכיב החדש לאלה של הרכיבים הקיימים. השימוש בחומרים מוליכים למחצה שאינם סיליקון, דורש שימוש בתהליכים חדשים. כדי לאשש את תקפותם, תהליכים חדשים אלה חייבים להיות מכוונים כך שיספקו תוצאות עקביות ותשואת תפוקה גבוהה. ככל שרכיבים חדשים מפותחים, מתבצעות מדידות אמינות של רכיבים רבים ועל פני תקופות זמן ארוכות. לכן, מהנדסי הבדיקות חייבים לאפיין ציוד בדיקה שהוא יהיה לא רק מדויק, אלא גם בר-שדרוג ושעומד במבחן של עלות-תועלת.
מהנדסי תכנון של תת-מערכות הספק – הצרכנים של רכיבים מוליכים למחצה להספק גבוה בדידים – עובדים בקצה השני של הספקטרום בבדיקות המוליכים למחצה. הם משלבים את הרכיבים הבדידים לתוך תכנונים של ממיריDC-DC , ממירי DC-AC, בקרי LED, שבבי ניהול סוללה ותת-מערכות רבות אחרות. מונעים על ידי דרישות ליעילות אנרגיה גבוהה יותר, מהנדסים אלה צריכים להפעיל את הרכיבים שהם מקבלים מהספקים שלהם, כדי לוודא שהם יכולים לעמוד בשימוש ביישום, לחזות כיצד היעילות של תת-מערכות הכח עשויה להיות מושפעת על ידי הרכיב ולבסוף לאמת את הביצועים של המוצר הסופי.
מכשירי ה- SMU ) ( SourceMeter של Keithley מספקים הן למהנדסי הבדיקות והן למהנדסי התכנון של תת-מערכות ההספק, את הכלים כדי לבצע את המדידות הדרושות. ובאם הם מכירים את נתחי העקומות ( Curve Tracer ), נתחי פרמטרים למוליכים למחצה (Semiconductor Parameter Analyzer ), או אוסילוסקופים, הם יכולים להפיק תוצאות מדויקות בפשטות ובמהירות.
מאמר זה מדגיש כמה מן הבדיקות הנפוצות ביותר, את האתגרים הקשורים אליהן וכיצד מכשירים SMU של Keithley יכולים לפשט את תהליך הבדיקה, במיוחד כאשר משולבים לתוך מערך בדיקה המכיל PCT( Keithley Parametric Curve Tracer ).
רקע על אפיון רכיב הספק
ספק הכח הממותג היא אחת מתת-המערכות הנפוצות בשימושה במוצרים לניהול הספק. בצורתו הפשוטה ביותר ( איור 1 ), המרכיבים העיקריים שלו כוללים מוליכים למחצה כגון MOSFET הספק, דיודה, וכמה רכיבים פסיביים, כולל סליל וקבל. ספקים רבים אף עשויים לכלול גם שנאי עבור בידוד חשמלי בין מבוא למוצא. המתג והדיודה מוליכים למחצה, ממתגים לסירוגין במחזור עבודה מבוקר, כדי לייצר את מתח המוצא הרצוי.
איור 1. תצורה סכמתית של דגם של ספק כח ממותג
בעת הערכת יעילות האנרגיה, חשוב להבין את הפסדי המיתוג ( הפסדי אנרגיה המתרחשים בזמנים הקצרים כשהרכיב משנה מצבים ) והפסדי הולכה ( הפסדי אנרגיה המתרחשיםכאשר הרכיב מופעל או כבוי ). פתרונות המבוססים על SMU של חברת Keithley יכולים לסייע למהנדסי הבדיקות להעריך את הפרמטרים של הרכיב המשפיעים על הפסדי ההולכה.
רכיבים מוליכים למחצה משמשים לעתים קרובות כדי להבטיח הגנה על המעגל. לדוגמה, רכיבים Thyristor משמשים להגנה מפני מתח יתר. כדי להשיג מטרה זו, רכיבים אלה חייבים לפעול במתח ובזרם המתאימים, חייבים לעמוד במתח המיועד וחייבים לפעול במעגל עם צריכת זרם מזערית. כדי לבדוק ולהעריך רכיבים אלה כהלכה, נדרש מיכשור בעל יכולות פעולה בהספק גבוה.
מאמר זה מתמקד באפיון הפרמטרים הסטטיים של רכיבים הספק. ניתן לחלק את הפרמטרים לשתי קטגוריות רחבות: אלה הקובעים את ביצועי הרכיב במצב ON ואת אלה הקובעים את הביצועים במצב OFF. טבלה 1. מפרטת את הפרמטרים של מצבי ON-State ו- OFF-State נפוצים, עבור מספר רכיבים מוליכים למחצה, אשר נתמכים ע”י מכשירי Keithley SMU.
בדיקות רבות כרוכות בשימוש במספר מכשירי .SMU תוכנת ACS Basic Edition של חברת Keithley
מפשטת את תצורת הבדיקה על-ידי ניהול התצורה ואיסוף הנתונים של כל מכשירי ה- SMU במערכת הבדיקה. שלא כמו תוכנות בסיסיות למטרות כלליות ACS Basic Edition ,מתוכננת במיוחד עבור אפיון רכיבים מוליכים למחצה וכוללת ספריית בדיקות; המשתמשים יכולים להתמקד בבדיקות ובפרמטרים של הרכיב ולא בתצורת מערך הבדיקה של ה- SMU.
טבלה 1. בדיקות ורכיבים מוליכים למחצה הספק נפוצים
אפיון מצב ON-state
אפיון ON-state מבוצע בדרך כלל באמצעות מכשיר המסוגל להזרים זרם גבוה ולמדוד מתח ברמה נמוכה. באם לרכיב הנבדק יש שלושה הדקים, נעשה שימוש במכשיר SMU נוסף, בהדק הבקרה של הרכיב, בכדי להעביר אותו למצב ON. איור 2 מציג תצורה טיפוסית לאפיון הפרמטרים של מצב ON של מוליך למחצה מטיפוס MOSFET.
מכשירים Keithley SMU מכסים תחום רחב של זרמים, עבור רכיבים הספק מוליכים למחצה. סדרות המכשירים A2600 ו- B2600 System Source SMU כוללים יכולות של יצירת דפקי זרם של לפחות DC A1.5 ו-A 10 לאפיון DC של הרכיבים. עבור רכיבים לזרם גבוה מאוד, ניתן להשתמש בשני מכשירים Keithley SMU מדגם A2651High Power SourceMeter SMU , המחוברים במקביל, ליצירת דופקי זרם של עד .100A
הבה נבחן את פרטי התצורה ואתגרי המדידה של מספר פרמטרים במצב ON-state.
איור 2. תצורת חיבור טיפוסית לאפיון הפרמטרים של מצב ON-state של
רכיבים הספק מוליך למחצה.
מאפייני מוצא
אחד מאוספי תוצאות הבדיקה המוכרים ביותר עבור רכיב מוליך למחצה, הינו פלט של אפייני
המוצא שלו.
מאפייני המוצא מוצגים בדרך כלל בצורה גרפית על גיליון הנתונים של הרכיב ומתארים את הקשר בין מתח וזרם המוצא. עבור מתג הספק מוליך למחצה, עם הדק בקרה, כגון MOSFET, IGBT או
BJT, אופייני המוצא מכונים בדרך כלל “משפחה של עקומות”. איור 3 מציג את התוצאות עבור IGBT הספק, כפי שנוצר על ידי תוכנת .ACS Basic Edition
איור 3. אפיון המוצא, כפי שנמדד עבור רכיב IGBT מסחרי.
בדיקה בדופקים הינה בדיקה נפוצה בבחינת מוליכים למחצה הספק, כיוון שבדיקות DC עשויות לגרום לחימום עצמי של הרכיב, דבר אשר עשוי לשנות את המאפיינים הנמדדים.
ביצוע הבדיקות בזרמים פועמים, עם מספר מכשירים ,SMU דורש שליטה מדויקת על התזמון של כוונון המקור והמדידות והיא מבוצעת לעתים קרובות באמצעות תוכנת מחשב. לקבלת תוצאות עקביות, חשוב לאשר את ביצועיי המערכת. זה יכול להיעשות על ידי העברת דופק יחיד דרך המערכת ומדידת התגובה על הרכיב. לכידת צורת הגל המלאה של הדופק כפונקציה של זמן, מאפשרת בחירת מקור מתאים ובמדידת השהיות, כך שהרכיב עובר כראוי למצב הולכה והמדידות יתבצעו לאחר שהמערכת תתייצב.
ממירים A/D מהירים ביותר, המשמשים במכשירי סדרת Series 2650A High Power System SourceMeter SMU , שימושיים בניטור המתחים והזרמים ברכיב, כאשר הם מתייחסים לזמן. אחת מתכונת האבחון של תוכנת ,ACS Basic Edition 2.0 מאפשרת ללכוד בקלות את צורת הדופק של נקודה אחת במשפחה של עקומות. איור 4 מתאר אפיון מתח וזרם הקולט כנגד זמן, של רכיב IGBT, כתוצאה של דופק יחיד. עבור דוגמה מסוימת זאת, השהיה של ביצוע המדידה
ב- μs 100 לאחר תחילת הדופק, מבטיח שהמערכת התייצבה ומאפשרים קבלת תוצאות עקביות יותר בין מדידות.
איור 4. נתוני מדידת מתח וזרם קולט כנגד זמן, כתוצאה של הפעלת דופק יחיד
על רכיב .IGBT
רכיבים מוליכים למחצה הספק הם בדרך כלל התקנים בעלי הגבר גבוה; לכן, תנודות פרזיטיות הינה תופעה נפוצה בעת אפיון רכיבים כאלה ותביא למדידות בלתי יציבות.
הממירים המהירים A/Dהמשמשים בתוך מכשירי סדרת 2650A SMU ויכולת יצרת דופק יחיד לבדיקת רכיב בתנאי תופעת מעבר של תכונה ACS Basic Edition 2.0 שימושיים לזיהוי סכנת יצירת תנודות. אחד הפתרונות לבעיית התנודות, כולל הוספת נגד טורי אל בקרת הרכיב, או הדק הבקרה,
לדוגמה, השער של MOSFET או של .IGBT דגם High Power Test Fixture 8010 של Keithley מאפשר התקנה קלה ופשוטה של נגד כנ”ל.
מתח ON-State
מתח ON-State של רכיבים מוליכים למחצה משפיע ישירות על הפסדי ההולכה. דוגמאות למתחים ON-State כוללות את המתח בממתח קדומני של דיודת הספק ,( VF ) מתח ON-State רוויה של BJT או IJBT ( VCEsat ) ומתח ON-State של Thyristor .( VT )
ההספק הנצרך או המבוזבז ע”י הרכיב שווה למכפלת מתח ON-State וזרם העומס.
הספק זה אינו נמסר לרכיב. בדרך כלל, יצרני רכיבים נוהגים לאפיין כיצד מתח ON-State, ובאמצעותו, את הפסדי ההולכה, משתנה עם הטמפרטורה ועם זרם העומס. מכשירים
Keithley SMU משמשים בדרך כלל בתהליך איפיונים אלה.
כדי למדוד את מתח ON-State, מפעילים מכשירSMU לזרם גבוה, מאלצים זרם אל הרכיב ומודדים את המתח. עבור BJTs ו- IGBTs משתמשים ב- SMU נוסף, בעל הספק נמוך יותר, המחובר להדק השער של הרכיב כדי למתג אותו ל- ON-State. כיוון שמוליכים למחצה הספק הם בדרך כלל רכיבי זרם גבוה, מתח ON-State נמדד לרוב ע”י שימוש בדופק זרם, כדי למנוע כל שינוי בפרמטרים כתוצאה מחימום עצמי של הרכיב עקב זרם הבדיקה .DC
שני מרכיבי מפתח מסייעים מבטיחים בדיקת מתח ON-State מוצלחת:
( 1 ) מדידה מדויקת של המתח ו- ( 2 ) כבלים וחיבורים מתאימים. מדידות מתח מדויקות מכריעות, כיוון שמתח ON-State משתנה עם הטמפרטורה. לדוגמה, שינוי של כמה מיליוולטים במתח ממתח קדומני של דיודה הספק, עשוי להצביע על שינוי של כמה מעלות בטמפרטורת הרכיב.
ממירים A/D מהירים מאוד ב Keithley -דגם 2651 High Power System SourceMeter SMU מאפשרים ביצוע מדידות מתח מדויקות מאוד, במרווחי זמן של ,1µs באמצעות דפקים קצרים של עד .100µs
במידה שווה, הכבלים והחיבורים הנכונים הם המפתח למזעור שגיאות המתח. עבור דיודות הספק,
BJTs ו- IGBTs, זרמי בדיקה טיפוסיים עשויים לנוע בין 100mA לעשרות אמפרים, בעוד שמתחים של ON-State נפוצים מאוד הם .1 – 3V Thyristors הם רכיבים אידיאליים לשימוש ביישומים של הספק גבוהה במיוחד, כיוון שהם בעלי מתח ON-State נמוך מאוד ( קטן מ- ( 2V בעת שזרמי ההולכה עשויים להיות אפילו גבוהים מ- .100A במהלך הבדיקה, זרמים גבוהים מסוג זה עשויים ליצור מפלי מתח על פני כבלי הבדיקה ועל פני הכבלים המחברים בין המכשיר הבדיקה לרכיב הנבדק. מתחים נוספים אלה יוצרים טעויות במדידת המתח. חיבורים בארבעה-חוטים, או מחברי
,Kelvin מבטלים את רוב שגיאות מתח אלה מתהליך המדידה, ע”י שימוש בכבלים נפרדים במד-המתח. הזרם הזעיר הזורם בכבלים אלה יוצר מפל מתח זניח, בין מכשיר המדידה והרכיב הנבדק, כך שמכשיר המדידה מודד את המתח האמיתי של הרכיב.
השימוש בכבלי מדידה בעלי השראות נמוכה מסייע בהבטחת צורת דופק תקינה (כלומר, זמני עלייה וירידה וקצר) בעת בדיקת רכיבים לזרמים, המספקים מידע רב עבור רוחב דופק נתון.
דגםA High Power System SourceMeter SMU 2651 מסופק עם סט כבלים מיוחדים, בעלי התנגדות והשראות נמוכות במיוחדת, המאפשרים שימוש בדפקים ברוחב של 100µs וזרם של A50.
מאפייני העברה
מאפייני העברה של רכיב מאפשרים הערכת יכולת ההולכה ולכן את יכולת נשיאת הזרם שלו. למאפייני ההעברה יש קשר עקיף לקביעת זמן המעבר והערכת הפסדי מיתוג. מאפייני ההעברה מנוטרים לעיתים קרובות כיחס של טמפרטורה, כדי לאמוד את השפעת הטמפרטורה על יכולת נשיאת הזרם המירבית של הרכיב. נדרשים שני מכשירי SMU למדידת מאפייני ההעברה: אחד משנה ושורק את מתח המבוא בהדק הבקרה של הרכיב והשני מספק להדק המוצא ומודד את זרם המוצא. מדידות טיפוסיות של מאפייני ההעברה כוללות את תרשים מתח ה- GATE לעומת זרם ה- DRAIN עבור,MOSFET ( VDS -ID ) מתח ה- GATE לעומת זרם ה- COLLECTOR עבור
IGBT ( VGE – IC ) ותרשים Gummel עבור .BJT ( VBE vs. IC, IB )
במקרים מסוימים, נמדד טווח רחב של זרם מוצא. זה נכון במיוחד עבור תרשים Gummel של BJT שבו נבדקים מספר סדרי גודל של זרם . במקרים אלה, דגם 2651A הוא מאוד שימושי כיוון שהוא יכול למדוד זרמים מתחום של nanoamp ועד .50A איור 5 מתאר תרשים Gummel שנוצר באמצעות דגם A2651 על ה- COLLECTOR ודגם B2636 על הבסיס.
איור 5. תרשים Gummel עבור BJT הספק טיפוסי, שהופק ע”י שימוש במכשירי
SMU דגמים 2651A ו- 2636B של .Keithle
התנגדות-ON
אחד מנתוני היסוד של MOSFET הספק היא מכפלת התנגדות- ON ( RDS(on) )
במטען ה-GATE ( QG ). התנגדות- ON היא גורם מפתח להפסדי ההולכה ב- MOSFET הספק.
הפסד ההולכה שווה ל- RDS(on) ID * . רכיבים חדשים יותר הם בעלי התנגדות- ON של כמה
miliohms ועד עשרות miliohms בזרם גבוה. זה דורש יכולת מדידת מתח ברגישות גבוהה מאוד בהדק ה- DRAIN. מדידת ההתנגדות-ON מחייבת שימוש בשני מכשירי SMU: מכשיר SMU אחד דוחף את ה- GATE למצב ON, ומכשיר SMU שני יוצר דופק זרם מוגדר ב- DRAIN ומודד את המתח המתקבל. ההתנגדות-ON מחושבת באמצעות חוק, זרם ה- DRAIN המתוכנן ומתח ה- DRAIN הנמדד. ניתן להגדיר את חישוב הנ”ל לביצוע אוטומטי בתוכנה.
התנגדות-ON טיפוסית מאופיינת לעיתים קרובות כפונקציה של זרם ה-DRAIN או מתח ה- GATE. באמצעות התוכנה, ניתן להפעיל את שני מכשירי ה- SMU ולבצע פעולת סריקה, כך מדידה הזו מבוצעת תוך בדיקה אחת. איור 6 מראה את גרף RDS(on) המחושב כנגד תוצאות זרם ה- DRAIN. כל המדידות הושלמו תוך מהלך אחד של בדיקת RDS(on). עבור רכיבים של זרם גבוהה מאוד, ניתן להשתמש בשני מכשירים מדגם 2651A המחוברים במקביל, ליצירת דופקים של זרם עד .100A
תוכנת ACS Basic Edition מנהלת את התצורה של שני מכשירי ה-SMU ואת איסוף הנתונים.
איור 6. תוצאות התנגדות- ON של MOSFET הספק, הנמדדות כפונקציה
של זרם ה- DRAIN עבור שני מתחי GATE
התנגדות-ON עולה עם מתח הפריצה ולכן כל שינוי בתהליך היצור, שיבוצע כדי להעלות את מתח הפריצה, יהיה כרוך בדיקה מאוחרת יותר של התנגדות-ON, על מנת להעריך את ההשפעה הכוללת של שינויים בתהליך. יצור רכיבים יעילים יותר במתח גבוה יותר, הוא אחד התמריצים למחקר נוסף בתחום רכיבי SiC ו- GaN , אשר מציעים התנגדות-ON נמוכה יותר מרכיבי סיליקון בפעולה במתחים גבוהים.
אפיון מצב-OFF
כדי לקבל הבנה נאותה של היעילות הכוללת של המוצר, חייבת להיחקר השפעת הרכיב על המעגל כולו, כאשר הרכיב כבוי. עבור רכיבים הספק גבוה, אפיון מצב-OFF כולל לעתים קרובות שימוש במכשיר מתח גבוה המסוגל לספק מאות או אלפי וולטים ומדידת זרמים נמוכים. לעתים קרובות, אפיון מצב -OFF מבוצע בין שני הדקי רכיב ( ללא קשר למספר הכולל של הדקי הרכיבים ) ולכן מכשיר SMU יחיד מספיק בדרך כלל לביצוע המדידה. עם זאת, ניתן להשתמש במכשיר SMU נוסף, כדי לאלץ את הרכיב למצב-OFF או בכדי להפעיל מתח גבוה יותר על הדקים מסוימים.
מכשירי SourceMeter SMU של Keithley מכסים מגוון רחב של מתח וזרמים לאפיון מצב-OFF של רכיבים מוליכים למחצה הספק. דגמים 2635B ו-2636B הם מכשירי SMU המציעים אפיון של עד
200V ויכולת מדידת זרם של עד רמה של .femtoamp המכשיר דגם 2657A SMU מציע תחום מורחב של אפיון של עד 3kV, תוך ביצוע מדידות זרם בהבחנה ודיוקים גבוהים.
שתי בדיקות DC בסיסיות מבוצעות כאשר הרכיב כבוי: מתחי פריצה וזרמי דליפה. הבה נבחן את אלה בנפרד.
מתחי פריצה
מתח הפריצה של רכיב במצב-OFF קובע את המתח המרבי שניתן להפעיל עליו. מתח העמידה המירבי העיקרי, שמעניין את מתכנני ניהול ההספק של הרכיב, הוא מתח הפריצה שבין ה- DRAIN וה- SOURCE של MOSFET או בין ה- COLLECTOR וה- EMITTER של IGBT או .BJT עבור ,MOSFET ה- GATE יכול להיות מקוצר או מאולץ למצב-OFF, על ידי הפעלת מתח שלילי לרכיב מסוג n או מתח חיובי לרכיב מסוג .p זאת בדיקה פשוטה מאוד שניתן לבצע באמצעות אחד או שני מכשירי SMU. מכשיר SMU למתח נמוך מחובר ל- GATE ומאלץ את הטרנזיסטור למצב-OFF. הוא יכול לאלץ 0V לבדיקת GATE מקוצר או לאלץ מתח ממתח לפי בחירת המשתמש. מכשיר SMU למתח גבוה, כגון דגם ,2657A מאלץ זרם לתוך ה- DRAIN ומודד את מתח ה- DRAIN המתקבל.
איור 7. דוגמה לבדיקת צורות גל תופעת מעבר של מתחים וזרמים BVDSS
ע”י שימוש בממיר A/D מהיר של דגם . 2657A מרווח הדגימה 10sμ .
לרוב ה- MOSFET יש בדרך כלל מתחי פריצה אופייניים גבוהים מהערך שצוין בגיליון הנתונים. לכן, כדאי להגדיר את מגבלת המתח של מכשיר ה-SMU המחובר ל- DRAIN לערך גבוה ממתח הפריצה שצוין בגיליון הנתונים של הרכיב. בנוסף, כאשר הדק ה- DRAIN מאולץ קרוב יותר ויותר לפריצה, ההתנהגות של הזרמים והמתחים של הרכיב הנבדק ( DUT ) עשויה להשתנות. במקרים אלה ניתן לנצל את ממירים A/D המהירים של מכשירי SMU מסדרת 2650A. ללא צורך בכל ציוד נוסף, ניתן לקבל התרשמות מהירה של התנהגות המתח והזרם עבור תופעות המעבר של ה- DUT.
איור 7 הוא דוגמה לאפיון תופעת מעבר בבדיקת מתח הפריצה בין ה- DRAIN וה- SOURCE של רכיבי הספק MOSFET סיליקון ל- 600V זמינים מסחרית. . דגם 2657A משמש לאילוץ דופק זרם אל תוך ה- MOSFET ולאחר מכן למדוד את המתח והזרם במרווחים של sµ10. הגרף מראה כי למעשה הרכיב נפרץ במתח של בערך 680V.
דרך נוספת לאפיון מתחי הפריצה, כרוכה באילוץ מתח על פני ההדקים הנבדקים ( לדוגמה
DRAIN ו-SOURCE של MOSFET) ומדידת הזרם המתקבל. מתח הפריצה מוגדר כמתח שבו הזרם עולה על סף מסוים, לדוגמה .1mA כדי למנוע הרס של הרכיב, יש צורך להגביל את מקסימום הזרם בזמן הבדיקה. בניגוד למחוללי עקומות וספקי כח מסורתיים, מכשירי SourceMeter SMU של Keithley כוללים תכונה מתוכנתת מובנית להגבלת מקסימום המתח והזרם המסופקים לרכיב הנבדק בדיוק ובמהירות.
כמו עם כל התקן הגנה, לבקרת ההגבלה של מכשיר SMU יש זמן תגובה סופי. לרכיבים מסוימים עשויה להיות התנהגות פריצה מהירה ופתאומית ביותר, שבה העכבה במכשיר משתנה בכמה סדרי גודל בתקופה קצרה ביותר. כאשר הרכיב נפרץ מהר יותר מאשר מכשיר ה- SMU יכול להגיב, יש להשתמש בנגדים טוריים כדי להגביל את הזרם המקסימלי הכללי דרך הרכיב.
בטיחות חייב להיות אחד השיקולים הראשונים עבור הבדיקות לאפיון מתח גבוה של רכיבים מוליכים למחצה הספק. יש להתחשב בתחומי המתחים של כל ההדקים, המחברים והכבלים. לדוגמה, מכשירי SourceMeter SMU של Keithley צפים אלקטרונית, כלומר הדק הייחוס של המכשיר אינו מחובר לאדמה. אלא אם כן המשתמש מחבר את הדק הייחוס לאדמה; במקרה כזה, חייבים לנקוט אמצעי זהירות גבוהים בכל ההדקים והחיבורים, באם מכשיר ה- SMU אמור לחולל יותר מ- .42V
בעת הגדרת מערכת בדיקה, חשוב להגן על המפעיל מפני התחשמלות. אחת הדרכים העיקריות לעשות זאת היא להשתמש במארז בדיקה בטוח המקיף את ה- DUT וכל חיבור חשוף אחר. דגם 8010 High Power Test Fixture של Keithley מאפשר בדיקה בטוחה של רכיבי מוליכים למחצה ארוזים, עד למתח של .3kV התאמת המארז הבטוח עם נעילת בטיחות, מקטינה את הסיכון להתחשמלות כאשר המשתמש משנה את חיבורי הבדיקה. מכשירי ה-SMU של Keithley מצוידים במנעול בטיחות; כאשר מותקן כראוי, מנעול זה מבטיח כי מתחים מסוכנים מנותקים בכל פעם שהמשתמש פותח את מתקן הבדיקה או ניגש לפרוסת המוליך למחצה בתחנת בדיקה.
בנוסף להגנה על המפעיל, חשוב גם לשקול את יחסי הגומלין בין כל המכשירים המחוברים להדקי הרכיב הנבדק. אם מכשיר SMU בעל מתח נמוך מחובר לרכיב במהלך אפיון מתח פריצה, תקלה ברכיב עלולה לגרום למתח גבוה להופיע במכשיר ה- SMU בעל המתח נמוך הנ”ל.
דגם High Power Test Fixture 8010 של Keithley כולל מעגל מובנה להגנה על מכשיר ה-SMU בעל המתח הנמוך ביישומים כאלה.
זרמי דליפה
זרם הדליפה הוא רמת הזרם הזורם דרך שני הדקים של רכיב, גם כאשר הרכיב במצב כבוי. זרם זה נכלל בזרם ההמתנה של המוצר הסופי. ברוב המקרים, הטמפרטורה והמתח על פני ההדקים הנדונים ישפיעו על זרם הדליפה. מזעור זרם הדליפה ממזער את אובדן האנרגיה כאשר הרכיב כבוי. הספק זה נצרך על ידי הרכיב, הוא אינו מועבר לעומס ולכן תורם לחוסר יעילות בצריכת ההספק. בעת שימוש בטרנזיסטור או דיודה במעגלי מיתוג או יישור, חשוב לעשות הבחנה ברורה בין מצבי ON ו- OFF; לכן, זרם דליפה נמוך יותר פירושו מעגל מיתוג או יישור טוב יותר.
בעת בדיקת מצב-OFF של הרכיב, רצוי בדרך כלל לבדוק את זרם הדליפה של ה- GATE ואת זרמי הדליפה של ה-DRAIN או ה- COLLECTOR. עבור רכיבי הספק, ערכים של זרמים אלה הם בדרך כלל בתוך תחומים של nanoamp ו- microamp, כך שניתן למדוד אותם באמצעות יכולת המדידה של זרמים נמוכים מאוד של מכשירי ה- SMU של Keithley. יכולת זו יכולה להיות מועילה מאוד כאשר בודקים רכיבים עשויים בחומרים בעלי רמות אנרגיה רחבות כגון סיליקון קרביד, ניטריד גליום, ניטריד אלומיניום, אשר להם בדרך כלל מתח הפריצה גבוה יותר וזרמי דליפה נמוכים יותר מאשר לרכיבי. איור 8. הוא גרף של מתח DRAIN במצב-OFF, כנגד זרם DRAIN עבור MOSFET הספק זמין מסחרית של חברת SiC.
איור 8. אפיון זרם הדליפה תוך שינוי מתח ה- DRAIN , כשהטרנזיסטור במצב- .OFF
כבלים Triaxial חיוניים להשגת מדידות זרם נמוך מדויקות, בין היתר משום שהן מאפשרות שימוש בחיבור GUARD. ה- GUARD מבטל את השפעת זרמי הדליפה של המערכת, על ידי ניתובם הלאה ממחבר המדידה. בנוסף, ה- GUARD מפחית את זמן ההתייצבות ביישומים של מתח גבוה על ידי ביטול למעשה של הצורך לטעון את קיבול כבל. שימוש במתקן בדיקה מאובטח או בפרובר, מנצל את היתרונות ה-GUARD גם לגבי ה-DUT. חברת Keithley מציעה כבלים וחיבורים Triaxial עבור כל מכשירי ה- SMU המיועדים ומותאמים למדידות של זרמים נמוכים, כגון דגמים 2636B ו- 2657A.
כבלים Triaxial מיוחדים למתח גבוה עבור דגם 2657A מאפשרים מדידות של עד 3kV עם הבחנה של 1fA. מתקן הבדיקה 8010 High Power Test Fixture של Keithley כולל חיבורים GUARD אל
לוח הבדיקה של הרכיב ומאפשר מדידות זרם של עד כמה עשיריות של picoamps.
מגן סיכוך אלקטרוסטטי הוא שיקול חשוב נוסף עבור מדידות של זרמים נמוכים. מגן סיכוך אלקטרוסטטי הוא מארז מתכת המקיף את המעגל הנבדק וכל חיבור חשוף. המגן מחובר לנקודת ייחוס מדידה משותפת ליצירת נתיב להולכת והרחקת המטענים האלקטרוסטטיים מצומת המדידה. בבדיקת רכיבים בתוך מתקן הבדיקה 8010 ,High Power Test Fixture מארז מתקן הבדיקה משמש כמגן סיכוך אלקטרוסטטי.
לבסוף, אימות המערכת חשוב לאפיון הזרם נמוך כדי להבטיח שהמדידה מתייצבת. זמן התייצבות גדל ככל שהזרמים המשוערים גדלים. למערכות הבדיקה של Keithley יש ערכי השהייה אוטומטיים, המספקים זמני השהייה סבירים להשגת מדידות טובות תוך לקיחה בחשבון מאפייני ההתייצבות של המכשיר. עם זאת, כדי להתחשב בקיבוליות שעדיין קיימת במערכת, יש לבצע אימות מדידה על ידי שינוי המתח בהדרגה ומדידת הזרם המתקבל דרך המערכת. יש להשתמש בתוצאות מהאימות כדי להגדיר מקור נוסף ולמדוד השהיות על מנת להשיג מדידות עקביות.
סיכום
ניתן להשתמש במכשירי SourceMeter SMU של Keithley בשילוב עם תוכנתACS Basic Edition כדי לספק פתרון מקיף לבדיקת רכיבים בדידים מוליכים למחצה להספק גבוה. תוכנתACS Basic Edition כולל ספריית בדיקות עבור מגוון רחב של רכיבי הספק, כוללFETs, BJTs, IGBTs,, דיודות, נגדים, ותיריסטורים. בנוסף,Keithley מספקת את הכבלים המתאימים ואביזרי בדיקה המאפשרים בדיקה בטוחה, מדויקת ואמינה. למרות שמכשירים אלה ואביזריהם ניתנים לרכישה בנפרד, הם זמינים גם כחלק ממערכת ה- Parametric Curve Tracer תצורת Keithley.
הכתבה נערכה והוגשה ע”י חברת Keithley וחברת דן-אל טכנולוגיות, בע”מ הנציגה הבלעדית של החברה בישראל.
