Les semi-conducteurs de puissance comprennent des puces nues qui doivent être caractérisées avant d’être intégrées dans un emballage ou un module de puissance, mais plusieurs défis doivent d’abord être relevés.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les dispositifs semi-conducteurs de puissance sont utilisés sous différentes formes—emballés dans des dispositifs montés en surface (SMD) ou dans des modules de puissance—dans une gamme d’applications. Les semi-conducteurs de puissance contiennent des puces nues qui doivent être caractérisées avant d’être placées dans un emballage ou un module de puissance afin d’accélérer le développement. Cependant, la petite taille, la structure fragile et les effets parasites causés par la sonde créent plusieurs défis à surmonter.
Les dispositifs semi-conducteurs de puissance sont initialement fabriqués sur un wafer, suivis d’une découpe et d’un emballage avant d’être utilisés dans des circuits d’électronique de puissance. La caractérisation aux premières étapes du processus de fabrication aide à accélérer le développement du dispositif. Pour les ingénieurs en développement de modules de puissance, comprendre le comportement des puces nues de semi-conducteurs de puissance est bénéfique pour accélérer le développement et aider à résoudre les problèmes.
Défis de la caractérisation dynamique des puces nues de semi-conducteurs de puissance
La caractérisation statique des puces nues de semi-conducteurs de puissance n’est pas trop difficile. La puce est fixée physiquement sur une plateforme conductrice pour le contact de drainage, et la source et la grille sont sondées à l’aide d’aiguilles par le dessus de la puce. Les parasites associés à la fixation ne détériorent pas de manière significative la performance des mesures. Des instruments tels que des traceurs de courbe ou des analyseurs d’impédance peuvent être utilisés pour la caractérisation statique.
D’autre part, la caractérisation dynamique des puces nues de semi-conducteurs de puissance est extrêmement difficile. Premièrement, les parasites dans le circuit de test détériorent considérablement la caractérisation dynamique, en particulier pour les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite en raison de leur vitesse rapide. Par exemple, les aiguilles de sonde introduisent des parasites supplémentaires, provoquant des oscillations et des résonances, entraînant des formes d’ondes de mesure déformées. Ces aiguilles de sonde peuvent risquer de provoquer des arcs en raison des signaux à haute tension utilisés dans les tests.
Les MOSFET SiC, les dispositifs GaN verticaux, les MOSFET Si et les IGBT ont une structure de dispositif verticale où le courant circule du haut vers le bas de la puce. Sonde une puce par le haut et par le bas est extrêmement difficile. Par conséquent, un côté de la puce doit être soudé. Cependant, souder et dé-souder la puce sur un PCA est peu pratique et accélère l’usure de la carte, rendant cela moins idéal pour les tests.
Les puces nues sont physiquement fragiles. Des forces déséquilibrées lors de la fixation peuvent facilement provoquer des fissures ou des éclats. De plus, la petite taille de la puce—souvent inférieure à 5 mm sur un côté—rend la manipulation encore plus difficile. De plus, les puces nues peuvent se casser en raison des surtensions provoquées par la vitesse rapide di/dt (taux de variation de courant) du signal de test, couplées à une inductance parasitaire environnante.
La seule méthode actuellement utilisée pour caractériser une puce nue est de créer une carte de test Double Pulse Test (DPT) complète pour la puce. Cette carte comprend un PCA intégré avec des pilotes de grille, des condensateurs de banque, des composants d’isolation et d’autres éléments nécessaires. La puce est soudée au PCA du côté du drain, et un bon câblage est utilisé pour établir les connexions à la source et à la grille. Souvent, la puce est recouverte d’un matériau isolant.
Figure 1. Exemple de puce nue. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF] et Wolfspeed.
Cependant, cette configuration n’est utilisée qu’une fois pour la caractérisation de la puce, car le PCB ne peut pas être réutilisé. Les coûts associés, le temps, l’effort et le manque de réutilisabilité découragent les ingénieurs de l’utiliser fréquemment.
Technologie permettant la caractérisation dynamique des puces nues
Il existe quelques technologies et techniques clés nécessaires pour permettre la caractérisation dynamique d’une puce nue. La création d’un support spécial pour un die nu est l’aspect le plus important de la solution. Ce support spécial doit répondre aux exigences suivantes :
- Aucune aiguille de sonde pour éviter des effets parasites supplémentaires et le risque d’arc
- Le support doit établir un contact avec la structure verticale de la puce nue
- Le contact avec la puce nue doit être suffisamment serré pour garantir la conductivité électrique mais pas trop pour éviter les fissures ou les éclats
- Contact sans soudure
- Un mécanisme pour aligner une petite puce nue avec les électrodes sur le support de test
- Minimiser les effets parasitaires dans le support de test (par exemple, < à quelques nH)
- Le support doit avoir des capacités à haute tension et à fort courant (par exemple, 600V et 40A)
- Manipuler une puce nue avec précaution est essentiel pour éviter des dommages physiques
La solution décrite ci-dessous utilise des technologies récemment développées pour les tests dynamiques de puces et est réalisée pour le testeur double pulse de dispositifs discrets. Le circuit DUT est assez simple, comme le montre la Figure 2. La même technologie peut être exploitée pour les testeurs à double pulse de modules de puissance, permettant aux ingénieurs de modules de puissance de l’utiliser pour caractériser les puces nues et les modules de puissance avec cette nouvelle solution.
Figure 2. Exemple de carte DUT PD1500A pour la caractérisation dynamique d’une puce nue. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Dans la carte DUT, des traitements spéciaux sont appliqués aux électrodes sur le PCB pour permettre un contact sans soudure. Un PCB flexible avec un traitement d’électrode similaire est également utilisé pour les connexions sur la face supérieure. En plaçant une puce entre le PCA principal et le PCB flexible, il devient possible de faire circuler le courant du haut de la puce vers le bas, permettant des mesures de courant pour les dispositifs à structure verticale.
La conception du PCB vise à minimiser l’inductance parasitaire à la fois dans la boucle de puissance et dans la boucle de grille. Le support présente des broches multiples soigneusement conçues qui dépassent du PCA, alignant une puce nue précisément pour un contact optimal avec les électrodes. L’absence d’aiguilles de sonde réduit encore l’inductance parasitaire dans le circuit de test.
Pour les dispositifs Si et SiC, une résistance de shunt coaxiale peut être utilisée, même avec ses plusieurs nanohenries (nH) d’inductance d’insertion supplémentaire. Dans le cas de puces nues GaN (nitrure de gallium), un capteur de courant breveté [1] fournit un moyen supplémentaire de minimiser l’inductance parasitaire. Les puces nues de semi-conducteurs de puissance présentent généralement différents formats. Par conséquent, notre stratégie consiste à créer une carte DUT personnalisée pour les testeurs PD1500A et PD1550A de Keysight, comme illustré à la Figure 3.
Figure 3. Support DUT pour puce nue sur mesure pour PD1500A/PD1550A. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 4 montre des résultats de mesure pris pour une puce nue MOSFET SiC évaluée à 1,2 kV. Le test est effectué à 800 V et 40 A, démontrant que le support fournit une capacité suffisante en tension et en courant pour le MOSFET SiC de 1,2 kV. Les formes d’onde sont très nettes, avec une faible surtension Vds au moment de l’arrêt. L’inductance de boucle de puissance calculée à partir de la forme d’onde de mise sous tension est seulement de 8,3 nH.
Figure 4. Résultats du test (mise sous tension et arrêt) pour un MOSFET SiC. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Le support pour puces nues peut être facilement utilisé avec des traceurs de courbe, éliminant ainsi la nécessité d’un prober de wafer pour les mesures statiques des puces nues et améliorant considérablement la productivité.
La caractérisation dynamique des puces nues, autrefois considérée comme difficile et presque impossible, est désormais possible grâce aux solutions nouvellement développées pour les testeurs double pulse de la série PD1500 de Keysight, offrant une solution sur mesure pour une puce nue.
Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est coécrit par Ryo Takeda, Yu Watanabe et Takamasa Arai de Keysight Technologies.