Der Drain-Source-Widerstand eines MOSFETs

| Autor / Redakteur: Christian Degenhart * / Hendrik Härter

Hochleistungs-Halbleiter: Sie kommen in Anlagen zur Gewinnung regenerativer Energien, in der Elektromobilität oder der industriellen Antriebstechnik vor.
Hochleistungs-Halbleiter: Sie kommen in Anlagen zur Gewinnung regenerativer Energien, in der Elektromobilität oder der industriellen Antriebstechnik vor. (Bild: © Eisenhans – stock.adobe.com)

Der Test von Hochleistungs-Halbleitern ist für Entwickler nicht immer einfach. Wir zeigen Vor- und Nachteile beim Messen des Drain-Source-Widerstands RDS(on) mit Gleichstromquellen und Strom-Pulsquellen.

Der Bedarf an Hochleistungs-Halbleitern wie Dioden, MOSFETs oder IGBTs wird auch in den nächsten Jahren weiter ansteigen. Treiber sind vor allem die regenerativen Energien, die Elektromobilität oder industrielle elektronische Antriebe, die leistungsfähigere Komponenten benötigen. Der Test dieser Komponenten ist für Testingenieure nicht trivial, da Ströme und Spannungen stark angestiegen sind und auch künftig auf einem hohen Niveau bleiben werden.

Für eine effiziente Serienproduktion von Halbleitern erfolgen die Tests in verschiedenen Prozessschritten. Das beginnt von der Ebene des Front-End-Wafers, dem sogenannten Bare-Die, bis zum Back-End. Bei einem Back-End handelt es sich um ein diskretes Bauteil. Schließlich reicht die Produktionskette bis zum Endgerät. Geprüft wird auf eine gleichbleibend hohe Qualität und wie zuverlässig die Bauteile und Geräte sind. Auf der anderen Seite ist es wichtig, ausgefallene Teile schnell zu erkennen. Gute Cost-Down-Ergebnisse lassen sich dann erreichen, wenn die Testspezifikationen in jedem Prozessschritt vollständig abgedeckt sind. Allerdings ist das nicht immer einfach.

Einschaltwiderstand RDS(on) eines MOSFETs

Der folgende Text zeigt Berechnungen, um den Einschaltwiderstand RDS(on) eines
MOSFETs zu testen. Die meisten Aussagen lassen sich für die Messung der Vf-Durchlassspannung einer Diode oder VCE,sat, der Sättigungsspannung eines IGBT, übernehmen.

Inzwischen sind MOSFETs mit einem RDS(on) Drain-Source-Widerstand von weniger als 1 mOhm erhältlich. Die maximalen Spannungen und Ströme, die von aktuellen IGBTs wie B2/4/6-Modulen oder MOSFETs geschaltet werden können, steigen weiterhin an. Die Komponenten werden gemäß den typischen Testspezifikationen für RDS(on) bei maximalen Nennwerten getestet, so dass Testströme von 1000 A oder mehr erforderlich sind. Jetzt geht es um die Vor- und Nachteile bei der Messung von RDS(on) mit Gleichstromquellen und Strom-Pulsquellen. Gleichspannungs- und Gleichstromquellen haben langsame Anstiegszeiten, um einen stabilen Strompegel zu erreichen. Deshalb sind Testzeiten von 10 ms oder höher notwendig. Die Tests erfolgen innerhalb von 100 ms. Da die 100 ms in einem typischen Prüfsystem-Setup (Erwärmen des Kontaktstifts/der Nadel) von jeder Zeitkonstante der thermisch relevanten Komponenten weit entfernt sind, nennt man die Art der Prüfung Gleichspannungsprüfung. Im Vergleich dazu helfen schnelle Strom-Pulsquellen, die Testanforderungen zu erreichen.

Gleichstrom und die Systemkomponenten

Welche Testmethode für den Testfall gewählt wird hat Einfluss auf viele Komponenten des Testsystems. Komponenten müssen entweder DC-fähig sein oder nur pulsfähig. Ein typischer Testaufbau zum Messen des Widerstands RDS(on)besteht aus vier verschiedenen Funktionseinheiten:

  • Stromquelle,
  • Verkabelung,
  • Hochstrom-Matrix / Multiplexer und
  • Prüfling (Vorrichtung/Nadeladapter/Wafer Prober)

Die verwendete Stromquelle selbst ist je nach Gleichstrom- oder Impulstest im Design sehr unterschiedlich. Hochstrom-Gleichstromquellen sind so ausgelegt, dass sie kontinuierlich Energie liefern, und verfügen daher über eine entsprechende Kühlleistung. Das führt zu einem einem größeren Bauraum. Da Hochstrom-Gleichstromquellen auf Schaltnetzteilen basieren, liefern diese Ausgangsströme mit einer gewissen Welligkeit. Das sollte man bei Messungen beachten. Neben der Stromquelle erzeugen Verkabelung, die Matrix und der DUT-Adapter ohmsche und thermische Verluste bei Hochstromtests.

Tests mit Gleichströmen sind aufwendiger bei den Systemkomponenten. Diese müssen in der Lage sein, einen Gleichstrom von 1000 A oder höher zu bestehen. Die entstehenden thermischen Verlustleistungen müssen ständig gekühlt werden. Das führt zu Geräten wie DC-fähigen Stromquellen, schweren und sehr niederohmigen Kabeln, großen Hochstrom-Schaltrelais und vielen Kontaktnadeln. Jede Komponente muss in der Lage sein, mit den Gleichstromströmen des Systems umzugehen. Daher sind sie größer, benötigen viel Rack- und Stellfläche und sind kostenintensiver.

Bild 2: Da die Bauteile auf Schaltnetzteile basieren, liefern sie Ausgangsströme, die eine gewisse Welligkeit aufweisen. Das muss bei Messungen beachtet werden.
Bild 2: Da die Bauteile auf Schaltnetzteile basieren, liefern sie Ausgangsströme, die eine gewisse Welligkeit aufweisen. Das muss bei Messungen beachtet werden. (Bild: VX Instruments)

Hochstrom-Pulsquellen

Der zweite Weg ist effizienter. Mit sehr schnellen Hochstrom-Pulsquellen lassen sich die meisten Komponenten eines Testsystems einfacher ausführen. Der Test eines Bauteils bei einem Strom von 1000 A mit einem Impuls von 300 µs verändert die Anforderungen an die Gesamtleistung von Systemkomponenten wie Matrix oder Verkabelung erheblich. Um ein solches Testsystem zu realisieren, müssen die parasitären Induktivitäten reduziert werden. Dazu kann der Anwender eine Strom-Pulsquelle verwenden. Damit sind kompaktere Systemkomponenten wie eine kleinere Matrix einsetzbar, welche die Systeminduktivität reduziert.

Die Entwicklung von Komponenten mit niedrigem Induktivitätsgrad, wie einer Matrix mit niedriger Induktivität, erfordert viel Anwenderwissen, ist technisch jedoch möglich. Optimiert man die Systemverkabelung, so reduzieren sich gleichzeitig parasitäre Induktivitäten. Entscheidend ist auch die Auswahl der Steckverbinder, der Typ und die Anzahl der Kontaktnadeln für das System. Als grobe Schätzung kann man sagen, dass die anfänglichen Systemhardware-Kosten eines DC-fähigen Testsystems und eines Puls-Testsystems nicht sehr unterschiedlich sein werden. Die großen Vorteile der Puls-Testsysteme sind ein geringerer Platzbedarf sowie aufgrund der hohen Testgeschwindigkeit ein wesentlich höherer Systemdurchsatz.

Problem des Ohmschen Gesetz

Die Größe der Systemkomponenten wird hauptsächlich durch ihre Wärmekapazität bestimmt. Deshalb ist das Ohmsche Gesetz das größte Problem. Die thermischen Verluste steigen mit steigenden Strömen exponentiell an: P = R x I x I (Ohmsches Gesetz). Steigt der Teststrom um Faktor zwei, steigen die ohmschen Verlustleistungen in Relais, Kabeln und Nadeln um Faktor vier. Steigt der Teststrom um Faktor zehn, erhöht sich die ohmsche Verlustleistung um Faktor 100. Zusätzlich dazu bedeutet das, einen bestimmten Strom in ein Widerstands-Induktions-Netzwerk (RL-Netzwerk) einzuprägen, was eine aneinander Reihung von Kabeln, Matrizen und DUTs darstellt linear länger dauert. Aufgrund der 10-fachen Stromstärke benötigt der Test die 10-fache Zeit. E = P x t. Das wirkt sich auf Relais, Kabel und Nadeln aus.

Bild 3: Die E-Funktion führt zu einer langsameren Strom-Einschwingzeit, als es im Idealfall bei R=0 sein würde.
Bild 3: Die E-Funktion führt zu einer langsameren Strom-Einschwingzeit, als es im Idealfall bei R=0 sein würde. (Bild: VX Instruments)

Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und der Prüfling

Fasst man die beiden physikalischen Gesetze zusammen, kann man abschätzen, dass ein Anstieg des Teststroms um Faktor zwei von 500 auf 1000 A, die thermische Energie in den Relais, Nadeln und Kabeln ungefähr um den Faktor acht ansteigen lässt. Ein steigender Strom um Faktor drei erhöht die thermische Energie um Faktor 27 und bei einem um Faktor 10 höheren Strom steigt die Energie um Faktor 1000. Je nach Ausführung des Prüflings ist es nicht immer möglich, die Energie auf mehrere Komponenten zu verteilen. Insbesondere auf Wafer- und Bare-Die-Level besteht keine Chance, die Anzahl der Nadeln um diese Faktoren zu erhöhen. Notwendig ist ein Kompromiss. Die Testströme werden gesenkt, damit der Systemaufbau sie handhaben kann. Außerdem darf auf Wafer- und Bare-Die-Ebene das Silizium selbst nicht thermisch beansprucht werden. In diesem Produktionsschritt gibt es keine geeignete Möglichkeit, den Prüfling zu kühlen.

Die thermischen Leistungsverluste in einem MOSFET sind ähnlich wie in jedem anderen ohmschen Widerstand. Deshalb greifen die Regeln wie für Kabel oder Matrix. Es gibt allerdings einen wesentlichen Unterschied: Die Menge an Wärmeenergie, die in den Prüfling eingebracht werden kann, ist fest vorgegeben und wird hauptsächlich durch die Wärmekapazität des Prüflings bestimmt. Gibt es einen funktionierenden Testaufbau mit dem Teststrom von 500 A, der auf 1000 A erhöht wird, muss gemäß der angegebenen Formel die Testzeit mindestens um Faktor vier verringert werden.

Eine korrekte Einstellung vorausgesetzt, kann der Widerstand RDS(on) bei 1000 A unter 300 µs charakterisiert werden. Jetzt werden die Anstiegszeit der Stromquelle und die Induktivität der Verkabelung und des Matrix/Multiplexers relevant. Die Stromanstiegszeit in einem RL-Netzwerk wird durch die Gesamtinduktivität des gesamten Aufbaus und die angelegte Spannung der Stromquelle definiert. Da die Quelle den Strom beispielsweise mit 50 V in das System einprägt und das System eine Gesamtinduktivität von 1 µH aufweist, bewirkt eine Stromanstiegsgeschwindigkeit von:

VX Instruments
VX Instruments

Ein Strom von 1000 A würde sich innerhalb von 20 µs einstellen. Das ist nur dann realistisch, wenn nicht die folgenden Fakten vorliegen würden:

  • Die Stromanstiegszeit der Quelle ist begrenzt und
  • an ohmschen Widerständen fällt Spannung ab.

Ist die Anstiegszeit der Quelle die begrenzende Größe, lässt sich das lösen. Bestimmen Komponenten wie Matrix, Kabel oder DUT-Aufnahme die maximale Stromanstiegsgeschwindigkeit, muss der Gesamtwiderstand der Testaufbau berücksichtigt werden. Ein angenommener Widerstand von 40 m für Kabel, Matrix, Nadeln und DUT ergibt einen steigenden ohmschen Spannungsabfall mit steigenden Strömen, der bei 1000 A auf 40 V ansteigt. Das führt zur gekrümmten E-Funktion. Diese E-Funktion führt zu einer langsameren Strom-Einschwingzeit, als dies im Idealfall bei R = 0 sein würde (Bild 3).

Die folgenden Induktivitäten und Widerstände lassen sich mit einfachen Tricks erreichen:

  • Stromimpulsquelle mit einer Stromanstiegsgeschwindigkeit von 50 A/µs,
  • Verkabelung <50 nH pro Meter, 1 mOhm pro Meter,
  • Matrix <250 nH und 10 mOhm,
  • Prüfling: <100 nH und 1 mOhm und
  • DUT <5 bis 50 nH und 1 mOhm.

Bild 4: Das Demo-Testsystem zeigt, wie VX Instruments mit nur einer Kontaktnadel den Widerstand bei einem Strom von 1000 A und 300 µs getestet hat.
Bild 4: Das Demo-Testsystem zeigt, wie VX Instruments mit nur einer Kontaktnadel den Widerstand bei einem Strom von 1000 A und 300 µs getestet hat. (Bild: VX Instruments)

Der Testspezialist VX Instruments hat in einem Demo-Testsystem den Widerstand RDS(on) mit 1000 A bei 300 µs mit nur einer Kontaktnadel für Source- und Drain-Pin des DUT getestet.

* Christian Degenhart ist CEO und Business Development Manager bei VX Instruments in Landshut.

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