国产科学仪器走出去:武汉普赛斯IGBT静态参数测试系统出口国际市场

描述

前言

        随着全球科技水平的提高和科学研究的深入,科学仪器成为各个国家和地区科研机构、高校和企业必不可少的工具。受益于全球第三代半导体产业跑马圈地扩张产能,测试设备领域可谓坐享需求红利,持续火爆。近年来,国内外不少企业动作频频,关键环节的测试设备不再被少数企业垄断,行业全球化进程明显加快,中国市场测试设备的国产化率也在逐步提升。

 

        围绕第三代半导体的测试需求,武汉普赛斯创新推出SiC/IGBT/GaN功率器件静态参数测试解决方案,为SiC和GaN器件提供可靠的测试手段,实现功率半导体器件静态参数的高精度、高效率测量和分析,产品已被国内外多家知名半导体企业验证和应用。

 

国产测试设备出海机遇海外市场发展空间广阔

        第三代半导体是指以SiC、GaN为代表的半导体材料,与前两代半导体材料相比其优势是具有较宽的禁带宽度,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率的电子器件,因此在5G基站、新能源、光伏、风电、高铁等领域有着广泛的应用。Yole预测,全球SiC功率半导体市场将从2021年的11亿美元增长至2027年的63亿美元,年复合年增长率(CAGR)将超过34%,GaN功率器件市场将从2021年的1.26亿美元增长到2027年的20亿美元,年复合年增长率(CAGR)高达的59%。

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资料来源:Yole Development

 

        近年来,先进半导体制造设备保有国相继升级出口管制政策,从测试设备的需求角度来看,中国市场的国产替代需求强烈,政策层面也受到了高度重视,被认为是中国在半导体领域“换道超车”的重要机会。随着国产测试设备性能和稳定性的提升,在价格和服务优势的带动下,海外需求也逐步增长,应用空间广阔。

 

        近日,武汉普赛斯IGBT静态参数测试系统远销海外,并已完成项目验收,标志着自主研发的全国产化IGBT静态参数测试设备正式进入国际市场。

 

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IGBT静态参数测试的难点与挑战

        任何器件的制造与应用都需以测试手段作为保障,IGBT功率器件的参数测试不仅是功率器件投入商业化应用的重要环节,也是研究器件性能的重要手段。根据测试条件不同,功率器件被测参数可分为两大类:静态参数和动态参数。静态参数是指器件本身固有的,与工作条件无关的相关参数,如集射极击穿电压V(BR)CES、饱和集射极电流ICES、栅射极阈值电压VGE(th)、输入电容 Cies、反向传输电容Cres、输出电容Coes等。

 

        常见的IGBT静态参数测试系统均来自于国际品牌,这些设备的测试电压可达3000V以上,电流可达1200A以上。而中国企业在高压(>3000V)和高电流(>1000A)IGBT模块测试方面与进口设备相比差距很大,且普遍存在测试精度不够高、测量范围有限的情况。对于一些轨道交通用的高压大功率的IGBT单管、半桥模块,测试条件需要达到6500V/3000A,不管是进口设备还是国产设备都很难达到测试要求。

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图:Si/SiC/GaN的市场应用分布

 

高电压、大电流:普赛斯IGBT静态参数测试解决方案

        为应对各行各业对IGBT的测试需求,武汉普赛斯正向设计、精益打造了一款高精密电压-电流的IGBT静态参数测试系统,可提供IV、CV、跨导等丰富功能的综合测试,具有高精度、宽测量范围、模块化设计、轻松升级扩展等优势,旨在全面满足从基础功率二极管、MOSFET、BJT、IGBT到宽禁带半导体SiC、GaN等晶圆、芯片、器件及模块的静态参数表征和测试需求。系统采用模块化集成的设计结构,为用户后续灵活添加或升级测量模块提供了极大便捷和最优性价比,提高测试效率以及产线UPH。

 

        IGBT静态参数测试系统支持交互式手动操作或结合探针台的自动操作,能够在从测量设置和执行到结果分析和数据管理的整个表征过程中实现高效和可重复的器件表征。也可与高低温箱、温控模块等搭配使用,满足高低温测试需求。

 

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        IGBT静态参数测试系统主机内部采用的电压、电流测量单元,均采用多量程设计,测试精度为0.1%。其中,栅极-发射极,最大支持30V@10A脉冲电流输出与测试,可测试低至pA级漏电流;集电极-发射极,最大支持6000A高速脉冲电流,典型上升时间为15μs,且具备电压高速同步采样功能;最高支持3500V(可扩展至10kV)电压输出,且自带漏电流测量功能。电容特性测试,包括输入电容,输出电容,以及反向传输电容测试,频率最高支持1MHz,可灵活选配。

 

系统优势/Feature

1、IGBT等大功率器件由于其功率特点极易产生大量热量,施加应力时间长,温度迅速上升,严重时会使器件损坏,且不符合器件工作特性。普赛斯高压模块建立的时间小于5ms,在测试过程中能够减少待测物加电时间的发热

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2、高压下漏电流的测试能力优异,测试覆盖率优于国际品牌。市面上绝大多数器件的规格书显示,小模块在高温测试时漏电流一般大于5mA,而车规级三相半桥高温下漏电大于50mA。以HITACH Spec.No.IGBT-SP-05015 R3规格书为例:3300V,125℃测试条件下ICES典型值14mA,最大40mA。普赛斯静态系统高压模块测试几乎可以完全应对所有类型器件的漏电流测试需求。

 

3、此外,VCE(sat)测试是表征 IGBT 导通功耗的主要参数,对开关功耗也有一定的影响。需要使用高速窄脉冲电流源,脉冲上升沿速度要足够快时才能减小器件发热,同时设备需要有同步采样电压功能。

 

IGBT静态测试系统大电流模块:50us—500us 的可调电流脉宽,上升边沿在 15us(典型值),减少待测物在测试过程中的发热,使测试结果更加准确。下图为 1000A 波形:

 

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4、快速灵活的客制化夹具解决方案:强大的测试夹具解决方案对于保证操作人员安全和支持各种功率器件封装类型极为重要。不论器件的大小或形状如何,普赛斯均可以快速响应用户需求,提供灵活的客制化夹具方案。夹具具有低阻抗、安装简单、种类丰富等特点,可用于二极管、三极管、场效应晶体管、IGBT、SiC MOS、GaN等单管,模组类产品的测试。

 

结束语

        IGBT静态参数测试系统作为高科技产品,以往在国际市场上只被少数企业掌握。全球半导体产业的发展以及先进半导体制造设备保有国出口管制的升级,对国产设备厂家来说既是挑战也是机遇。未来,武汉普赛斯将充分发挥自身的技术和创新优势,持续推动高科技产品落地应用,真正做到以技术创造更多价值。

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