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デバイス/モジュールの信頼性評価、電気的特性測定・評価

次世代パワー半導体の総合評価

次世代パワー半導体材料として、GaN(窒化ガリウム)およびSiC(炭化ケイ素)が注目されています。GaNは高速スイッチング動作や大口径ウェハによる生産が比較的容易などの特徴を持ちます。一方のSiCは高電圧、大容量電力を低損失に扱えるという利点などがあります。OKIエンジニアリングは、次世代パワー半導体の評価に必要な基本特性測定から個別要求試験/故障解析までワンストップで対応します。

  • 信頼性試験(パワーサイクル試験など)最新の解析ツール・手法で不具合解析も強力にサポート
  • 大電流および広範囲な温度特性測定に対応

パワーMOSFETのアバランシェ耐量試験

MOSFETは誘導性負荷回路のスイッチング用途が多く、サージ電圧に対する十分なマージンが必要です。機器の小型化や部品点数削減の為、サージ吸収部品をとりつけず、エネルギーをMOSFETで吸収させる場合には、アバランシェ耐量を確認することが重要です。

定格が近い国内外のパワーMOSFET2品種について、アバランシェ耐量試験しました。具体的には、L=1mH、VD=100Vにてアバランシェ電流を増加させ、破壊電流値およびエネルギー値を観測しました。
この結果、2品種共にアバランシェ電流の実力値は定格の2倍程度あることが確認できました。

アバランシェ耐量試験回路
アバランシェ耐量試験回路

試験波形(国内メーカーA:250V/30A)

  • 破壊前波形
    破壊前波形
  • 破壊時波形
    破壊時波形

試験波形(国内メーカーB:250V/38A)

  • 破壊前波形
    破壊前波形
  • 破壊時波形
    破壊時波形

アバランシェ耐量試験の結果

定格が近い国内外のパワーMOSFET2品種について、アバランシェ耐量試験の結果まとめ
定格が近い国内外のパワーMOSFET2品種について、アバランシェ耐量試験の結果まとめ

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故障発生原因特定

故障発生原因を特定するためのソリューションをご提案いたします。

  • ロックイン発熱解析(重ね合せ像)
    ロックイン発熱解析
    (重ね合せ像)
  • 表面SEM解析像
    表面SEM解析
  • 断面TEM解析像
    断面TEM解析
  • ロックイン赤外線発熱解析、によりパワーMOSFETの不具合位置を特定(非破壊でも検出可能)します。
  • 不具合位置特定後はさまざまな物理解析で故障発生原因を特定します。

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パワーデバイスのESD実力確認試験

ESD試験の実力確認を行います。この例はHBMモデルですがMM、CDMなど各種モデルに対応した試験が可能です。

ゲート-ソース間のI-V特性
ゲート-ソース間のI-V特性

ゲート-ソース間のI-V特性により、パワーデバイスのESD実力試験でゲート酸化膜が破壊されることがわかります。

4社のHBM破壊電圧比較
4社のHBM破壊電圧比較

パワーデバイスのESD実力確認試験での4社のHBM破壊電圧比較結果、メーカーによって大きな実力差が見られます。このケースではA社製は取り扱いに注意しないと静電破壊を引き起こすリスクが高いことがわかります。

故障箇所の確認

パワーMOSFETの故障解析例を示します。この例ではゲート側壁部(ソース側)Aの破壊に加えてゲート底面部(ドレイン側)Bでも破壊が発生しています。

  • SEM画像
    SEM画像
  • 断面構造図
    断面構造図

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過電流印加試験

デバイスを採用する際には、対象デバイスの実力を確認することが重要です。過電流印加試験は、Zener Diodeなどにサージ電流(電圧)を印加し、劣化の有無を確認する試験です。下記のグラフは、ピークパルスパワー3000W耐量(パルス幅0.1msの場合)のデバイスについて、過電流印加試験(パルス幅:0.1ms、サージ電流:360A、クランプ電圧:9V以上、ピークパルスパワー:3240W)を実施した事例です。定格の3000W以上のピークパルスパワーを印加したが、試験前後の電気的特性値に変化はなく、劣化が無いことを確認しました。

パワーデバイスの過電流印加試験事例
デバイス
ピークパルスパワー3000W耐量(パルス幅0.1msの場合)
パルス幅
0.1ms
サージ電流
360A
クランプ電圧
9V以上
ピークパルスパワー
3240W
  • 過電流印加試験データ
    ピークパルスパワーvsパルス幅
  • 過電流印加試験データ
    電流印加波形およびクランプ電圧波形

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MOSFETの容量VSドレイン・ソース電圧特性の測定

パワーMOSFETは構造上、寄生容量が存在します。CgsおよびCgdは、主にチップサイズとゲート酸化膜の厚さにより決まり、CdsはPN接合部の面積と接合部に逆バイアス印加時の空乏層幅により決まります。
入力容量(Ciss)はCgs+Cgd、出力容量(Coss)はCds+Cgd、帰還容量(Crss)はCgdで表されます。これらの容量は、パワーMOSFETをスイッチング動作させる場合、使用周波数やスイッチング速度を制約する為、各容量の特性を把握することは非常に重要です。

  • MOSFETの寄生容量
    MOSFETの寄生容量
  • 容量VSドレイン・ソース電圧特性
    容量VSドレイン・ソース電圧特性

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パワーデバイス向けTEG評価(ウェハ)

SiCなどの新素材パワーデバイスは、高温環境および高電圧印加による評価が必要です。OKIエンジニアリングは高温対応プローバおよび高電圧電源を使用して、ウェハレベルにてダイオード等の特性評価に対応いたします。

高温環境
200℃までの加温ステージプローバにて6インチまでのウェハの特性測定を実施可能
高電圧印加
1000V対応のSMUにてダイオードの逆バイアス特性等の高電圧印加測定可能

逆バイアス特性の温度依存性評価
SiCダイオード:逆バイアス特性の温度依存性評価

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GaN、SiCの高低温測定

近年、半導体業界では高温動作・高速制御可能な電力変換器の為のパワーデバイスが製造されています。これからの高電力化社会のため、シリコンカーバイド(SiC)、ガリウムナイトライド(GaN)などのスーパーマテリアルが注目され、実用化と量産が具体化される中、SiCやGaNを開発、製品へ実用化し、より高い品質保証を付加価値とすることが必要とされています。当社では、経験豊富な技術者によるSiCやGaNの高低温測定の実績を活かし、250℃までの高温測定が可能です。また副次的なメリットとして、自社内の工数を費やすことなく結果を得ることができ、タイムカットにつながります。サンプルのご提出で試験のコンサルティングから結果のフィードバックまでを行います。詳細につきましては、お気軽にお問い合わせください。

  • 順方向電流の温度特性
    順方向電流の温度特性
  • 逆方向電流の温度特性
    逆方向電流の温度特性

大電流(max500A)および広範囲温度(-60~+300℃)電気的特性測定例(パッケージ品)

  • ダイオードの重要なスイッチング特性であるtrr(逆回復時間)を正確に測定します。
  • IGBTの重要な損失特性であるtf(ターンオフ時間)を正確に測定します。
  • SiCデバイスの大電流(max500A)/広範囲温度(-60~300℃)での測定が可能です。
  • Power MOSFET内蔵ダイオードのtrr(逆回復時間)測定図
    Power MOSFET内蔵ダイオードのtrr(逆回復時間)測定
  • IGBTのtf(ターンオフ時間)測定
    IGBTのtf(ターンオフ時間)測定
  • SiC MOSFETのVg-Id特性(-55~250℃)
    SiC MOSFETのVg-Id特性(-55~250℃)
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