Department Leistungselektronik

Das Department Leistungselektronik erforscht und entwickelt spezielle Messtechniken und Simulationsverfahren für Leistungstransistoren. Dazu gehören dynamische Charakterisierungstechniken, verschiedene Simulationswerkzeuge (physikalisch orientierte, sowie thermische und mechanische Bauelementsimulation) sowie Zuverlässigkeitsanalysen.

  • Simulation der Feldverteilung
    [+] Simulation der Feldverteilung (E-Feld) in einem gesperrten GaN-Leistungstransistor
  • Testaufbau für Mikrowellen-Lebensdauertests
    [+] Testaufbau für Mikrowellen-Lebensdauertests
  • Detailansicht einer Mikrowellen-Testfassung
    [+] Detailansicht einer Mikrowellen-Testfassung für thermisch aktivierte Lebensdauertests unter Leistungsanpassung
  • Test-Einrichtungen für thermisch aktivierte DC-Lebensdauertests
    [+] Test-Einrichtungen für thermisch aktivierte DC-Lebensdauertests bei bis zu 200°C

Bauelement-Simulation

Die Bauelement-Simulation ist unabdingbar bei der Entwicklung von neuen Halbleiter-Leistungstransistortechnologien. Sie bietet die Möglichkeit, die Eigenschaften von Bauelementen vorherzusagen und reduziert, konsequent angewendet, die Anzahl der für bestimmte Entwicklungen notwendigen Prozessläufe im Reinraum. Weiterhin erhöhen die verwendeten Simulationswerkzeuge das physikalische Verständnis der Bauelemente wenn es gelingt, spezielle Effekte wie Drift- oder Zuverlässigkeitsmechanismen im Simulator nachzubilden.

Folgende Simulationswerkzeuge stützen die Entwicklung der Leistungsbauelemente am FBH:

  • Physikalisch orientierte Bauelementsimulation (Sivaco Atlas)
  • Thermische und mechanische Simulation (Ansys)

Bauelement-Charakterisierung

Leistungs-Schalttransistoren erfordern eine umfassende Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften, vor allem zur Identifizierung von Mechanismen, die den Wirkungsgrad während des Betriebs in der Systemumgebung reduzieren. Für diesen Zweck wurden verschiedenen Messmöglichkeiten eingeführt und zum Teil selbst entwickelt. Dynamische Charakterisierungen, vor allem unter induktiven Lasten, werden im Rahmen unseres Joint Labs Leistungselektronik an der TU Berlin durchgeführt.

Die Bauelementcharakterisierung beinhaltet auch Messungen der Wärmeverteilung über ausgedehnte Leistungstransistoren sowie die Charakterisierung von deren thermischer Impedanz.

Analyse der Zuverlässigkeit

Zuverlässigkeitstests an Mikrowellen und Hochvolt-Leistungstransistoren werden regelmäßig durchgeführt. Da sich die Bauelementgruppen in Design und Technologie unterscheiden, sind unterschiedliche Testroutinen erforderlich. Die Charakterisierung von Mikrowellen-Leistungstransistoren erfolgt nach folgendem Schema:

  • Vorselektion anhand von DC-Tests
  • "Einbrennen" der Bauelemente unter bestimmten, sich bewährten Testbedingungen
  • On-Wafer-Stresstests zur Erfassung der Robustheit: Stufenförmige Erhöhung der Stressbedingungen bis zur Degradation des Bauelements
  • DC- und RF-Zuverlässigkeitstests bei unterschiedlichen Kanaltemperaturen und Stressbedingungen, Erfassung der mittleren Zeit bis zum Auftreten eines Fehlers (MTTF)

Details zu der verfügbaren Test-Infrastruktur:

  • On-Wafer-Messsysteme zum Testen der prinzipiellen Robustheit
  • DC-Lebensdauer-Messsysteme für kombiniert thermisch/elektrische Zuverlässigkeitstests ermöglichen den gleichzeitigen Test von 142 in Gehäuse montierten Bauelementen bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 200°C, Spannungen bis 1100 V und bis zu 50 W Verlustleistung pro Bauelement.
  • Mikrowellen-Zuverlässigkeitsmesstechnik (L-Band, 1,7 GHz, leistungsangepasst an 50 Ω) für den gleichzeitigen Test von acht Bauelementen und bis zu 200 W Verlustleistung pro Bauelement