Filière commutation des composants de puissance

Ce groupe de travail a pour objectif de mettre en œuvre et de développer des outils d’analyse et de nouvelles méthodes expérimentales pour l’étude des performances des dispositifs de puissance à grand gap (souvent dédiés pour des applications dites de commutation), de former des personnels pour acquérir de nouvelles compétences et la réalisation d’études. Les appareils de mesure et bancs expérimentaux se situent à des niveaux de manipulations génériques ou expertes, et constituent un ensemble cohérent et original afin de définir de manière exhaustive les performances des filières technologiques sous test.

Pour mener à bien les objectifs de ce groupe de travail, plusieurs équipements de mesures sont disponibles au LAAS :


Stations sous pointes

La caractérisation sous pointes permet de caractériser le comportement électrique des composants sur puce nue. Elle consiste à manipuler des pointes de test pour contacter les électrodes du composant, et obtenir ses caractéristiques courant-tension dans le domaine des courants continus et basse fréquence.

L’utilisation d’une station sous pointes permet par exemple de mesurer automatiquement tous les composants d’une plaquette pour faire le tri entre les « bons » composants (fonctionnels et/ou performants) et les « mauvais » composants (non fonctionnels et/ou non performants) ou encore pour mener une étude statistique.

Station sous pointes MPI TS2000D (basse fréquence/tension<500V) :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les différentes stations sous pointes du LAAS permettent de réaliser les caractérisations suivantes :

  • Les caractérisations électriques statiques courant/tension pour mesurer des tensions de seuil par exemple
  • Les caractérisations très bas courant pour mesurer de très faibles courants continus (jusqu’au femtoampère)
  • Les mesures d’impédances pour obtenir les propriétés de la grille

Caractéristiques principales de la station sous pointes MPI TS2000D (basse fréquence/tension<500V) :

Pour réaliser ces mesures, la station sous pointe est en général couplée à un analyseur paramétrique, tel que le B1505A.


Station sous pointes 3kV

Pour caractériser des composants de type « grands gaps », il est nécessaire de disposer d’une station sous pointes semi-automatique dite « de puissance » capable de supporter des tensions jusqu’à 3000 Volts. C'est pourquoi la station MPI TS2000-DP a été achetée et est installée depuis le 08 avril 2022 au LAAS.

Cette station a plusieurs particularités si on la compare à la station sous pointe MPI TS2000-D qui était déjà présente au LAAS depuis 2018 (voir Moyens / GT1: Filière commutation des composants de puissance). En effet, elle permet de supporter des tensions de 3kV mais est aussi équipée d’un microscope motorisé avec caméra numérique ainsi que d'un micromanipulateur motorisé. Un panneau permettant de se connecter au testeur paramétrique B1505A de Keysight est également disponible sur cet équipement.


Station sous pointes 10kV / Haute Température (en cours d'achat)

Les performances attendues des composants à grand gap nécessitent un banc de caractérisation spécifique permettant le test de composants GaN, SiC ou Diamant sur puces nues à la fois sous haute tension 10 kV et sous haute température. C’est pourquoi une station sous pointes capable de supporter des hautes températures et des tensions jusqu’à 10kV est installée au LAAS depuis avril 2023.

 

Cette station est équipée de chucks de 4 cm de diamètre permettant des mesures avec des températures allant de 80K à 873K. Les mesures se font sous vide (jusqu’à 10-6 torr) avec 4 micromanipulateurs. Cela permet à la fois d'isoler thermiquement les différents éléments au coeur de l'enceinte mais aussi d'éviter les phénomènes d'arcage dans l'air pour les tests sous hautes tensions. Plusieurs passages de câbles sont prévus afin de réaliser des tests avec des pointes TRIAX, SHV, N, UHT (10kV) et fibre optique.

 

 

      


Analyseur paramétrique B1505A

 

L’instrument B1505A de Keysight utilisé au LAAS est un analyseur paramétrique permettant de caractériser plusieurs composants. Les composants analysés peuvent être packagés ou sur wafer si le B1505A est connecté à une station sous pointes. Grâce à cet appareil, on peut notamment effectuer les tests suivants :

  • Mesure courant / tension Id/Vg permettant d’extraire les tensions de seuil.
  • Multi-mesures courant / tension Id/Vd pour pouvoir observer les différentes caractéristiques d’un composant
  • Mesure d’une tension ou d’un courant en fonction du temps
  • Mesure capacité / tension C/V
  • Mesure de Ron dynamique / current collapse

 

 

 

 

 

 

 

 

Le B1505A peut aussi être commandé via un PC extérieur par GPIB.

La puissance maximale lors des différents tests varie en fonction des modules qui sont utilisés. Aujourd’hui, les différents modules disponibles sur cet appareil sont décrits dans le tableau ci-dessous :

Depuis juillet 2021, le B1505A est équipé d'un SMU Ultra High Current qui permet d'aller jusqu'à 500A et d'un SMU High Current (20A) utilisé pour des mesures de current collapse.

Un boîtier de température a également été ajouté pour faire des caractéristiques I(V) ou C(V) jusqu'à 3kV et pour des températures allant de -50°C à +220°C. Il est utilisé avec le conditionneur de température TA5000 qui est compatible avec cet équipement.

 


Banc de mesure du Ron dynamique

Ce banc de caractérisation original a été développé au LAAS. Il permet de mesurer le Ron dynamique, qui correspond au fait que la résistance de l’interrupteur (Ron) est plus grande que celle attendue, pendant quelques instants juste après sa commutation. Cette augmentation temporaire peut atteindre plusieurs pourcents de la valeur nominale et engendrer un échauffement du composant et donc des pertes énergétiques. C’est le phénomène le plus limitant pour les performances actuelles des nouveaux interrupteurs de puissance réalisés en Nitrure de Gallium (GaN). Ce banc a la capacité de mesurer l’évolution  temporelle de la résistance quelques dizaines de nanosecondes après la commutation des composants initialement bloqués jusqu’à 1200 Volts.

 

 

 

 

 


Microscope HIROX