UTH-INGUTB-EX-E-2012/16-SE

Examensarbete 15 hpJanuari 2013

Test och verifiering av en ny inkapslingsmetod för SiC BJT och MOSFET Test and verification for a new packaging

concept for SiC BJT and MOSFET

Carl Sandberg

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Test och verifiering av en ny inkapslingsmetod för SiC BJT och MOSFETTest and verification at a new packaging concept forSiC BJT and MOSFET

Carl Sandberg

AbstractThe use of silicon carbide (SiC) as a base material in power electronics has manyadvantages, including high breakdown voltage and excellent temperature endurance.However, the packaging of such electronics presents major challenges and there is aneed for packaging that can operate in higher temperature. The purpose of this thesishas been to develop a test method and verify the functionality of SiC powertransistors prototypes with a new packaging technique developed by Swerea IVF AB.It includes setting up an electrical test-bed for power and high temperature cyclingand analysis of the results. Even though test confirmed functionality after thepackaging process, (at room temperature) the performance seemed to have beenreduced. This could be a result of the measurement setup and the packaging process.In higher temperature the transistors failed to operate longer than a couple ofminutes which showed the weaknesses in the design and the challenges with this typeof packaging.

ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2012/16-SEExaminator: Nóra MassziÄmnesgranskare: Kjell StaffasHandledare: Klas Brinkfeldt

I

Sammanfattning

Användningen av kiselkarbid (SiC) som basmaterial i kraftelektronik har många fördelar t.ex.

hög genombrottsspänning och bra temperaturegenskaper. Inkapsling av sådana

elektronikkomponenter innebär stora utmaningar, det finns dock ett behov av inkapslingar

som kan användas vid högre temperatur. Syftet med detta arbete har varit att utveckla en

testmetod för att verifiera funktionen hos SiC-transistorer med en ny inkapsling som

utvecklats av Swerea IVF AB. Det innebär utveckling av en elektrisk testrigg för kraft- och

temperaturcykling samt analysering av resultaten. Även om tester bekräftade funktionalitet

efter inkapslingsprocessen, (i rumstemperatur) verkade transistorernas prestanda ha

försämrats. Detta kan vara ett resultat av mätuppställningen tillsammans med förändrade

egenskaper efter inkapslingsprocessen. I högre temperaturer (200 C) fungerade transistorerna

inte längre än ett par minuter vilket visade bristerna i inkapslingsdesignen och de utmaningar

som denna typ av inkapsling ställs inför.

II

Innehåll

1. Introduktion ............................................................................................................................ 1

1.1 Inledning ........................................................................................................................... 1

1.2 Bakgrund .......................................................................................................................... 2

1.3 Syfte ................................................................................................................................. 3

2. Teori ....................................................................................................................................... 4

2.1 Komponenter .................................................................................................................... 4

2.2 I-V karakteristik ............................................................................................................... 6

2.3 Fördelar med kiselkarbid .................................................................................................. 7

2.4 Inkapsling ......................................................................................................................... 9

3. Metod ................................................................................................................................... 10

3.1 Kretsar ............................................................................................................................ 10

3.2 Mätuppställning .............................................................................................................. 12

4. Resultat ................................................................................................................................. 14

5. Diskussion ............................................................................................................................ 21

5. 1 Förbättringsförslag ........................................................................................................ 23

6. Referenser ............................................................................................................................. 24

1

1. Introduktion

1.1 Inledning

Idag ställs allt högre krav på energieffektiva komponenter. Begränsade naturtillgångar och

klimatförändringar gör att efterfrågan på energisnåla lösningar ökar kraftigt. Inom

kraftelektroniken används idag främst kisel som halvledarmaterial men på grund av dess

begränsning för höga spänningar (600-700 V) [1], har utveckling av nya material tvingats

fram. Kiselkarbid (SiC) är ett av det mest lovande materialen som kan komma att ersätta kisel

inom kraftelektroniken. SiC har främst tre stora fördelar gentemot kisel. Högre

elektrisktfältstyrksgenombrott gör att man kan använda en smalare driftregion och därmed

minska resistansen i komponenten, minskade switchförluster och ett större bandgap som

möjliggör arbete i högre drifttemperaturer. T.ex. kan generellt, en SiC-komponent arbeta med

- - C

[1].

Genom att SiC kan ha en så pass mycket högre drifttemperatur ställs mindre krav på bra

kylning, det medför att man kan minska både vikt och volym men även få ner kostnader och

komplexitet i olika system. I bilar, t.ex., är vikt och utrymme viktiga aspekter att ta hänsyn

till. El- och hybridbilar kommer att vara en viktig del i framtiden och för att dessa ska bli

attraktiva måste effektiviteten öka. Med kraftelektronikkomponenter av SiC kan en del av

problemen lösas.

2

1.2 Bakgrund

Kiselkarbid har massproducerats sedan 1893 och användes först som slipmedel. I början av

1900-talet användes det för första gången inom elektroniken som en detektor i de första

radioapparaterna [2]. Dess egenskaper inom elektronik har varit känd länge men problemen

har varit att det har varit svårt att tillverka kiselkarbid med få defekter. Detta har medfört att

komponenter av kiselkarbid har varit dåliga på att blockera backspänningar [2]. Det har även

varit väldigt dyrt och därför inte kostnadseffektivt att använda sig av kiselkarbid. Ny teknik

har det senaste decenniet gjort det möjligt att massproducera högkvalitativt SiC [3] och

öppnat upp möjligheten att tillverka effektiva och prisvärda SiC-komponenter.

SiC baserade dioder från Cree och Infineon har funnits på marknaden några år nu. 2011 kom

världens första kommersiella MOSFET i SiC ut [4]. Problemet är att för att kunna utnyttja

kretsarna i höga temperaturer krävs också att paketeringen klarar temperaturerna. Generellt

ligger gränsen för dagens paket – C och i många fall lägre för långvarig

drifttillförlitlighet. Detta gör att nya tekniker för inkapsling måste tas fram.

Swerea IVF AB bedriver idag forskningsprojekt inom detta område och man har tagit fram en

metod som bygger på bä ” w c ”-paket av keramiska

substratplattor. Designen möjliggör kylning från två sidor och på så sätt gör det möjligt att

kunna använda komponenten i högre temperaturer. Målet är att skapa en paketering som kan

arbeta i en temperatur omkring C.

3

1.3 Syfte

Syftet med detta arbete är att ta fram en metod för att verifiera funktion samt utföra kraft- och

värmecyklingar på BJT- och MOSFET-SiC-prototyper med den nya inkapslingen. Målet är att

och ta fram I-V kurvor, beskrivet i avsnitt 2.2, i olika temperaturer och jämföra

karakteristiken för den nya inkapslingen med data från två tillverkares datablad med samma

transistorchip men med en annan inkapsling.

4

2. Teori

Det här avsnittet kommer att ta upp de viktigaste komponenterna, främst funktion, samt

kretsar som används i detta arbete. Även hur inkapslingen till transistorerna är uppbyggd

kommer tas upp

2.1 Komponenter

BJT Transistor (Bipolar Junction Transistor)

Med en transistor kan man styra en större ström med hjälp av en lägre styrström, basström.

En BJT består av tre lager, kollektor, bas och emitter, och när en ström läggs på basen kan

transistorn leda ström mellan kollektor och emitter. För att det ska kunna gå ström i basen

krävs dock ett spänningsfall över bas-emitter, UBE, på ungefär 0.7 volt. En BJT kan användas

dels som switch och dels i förstärkarkretsar. Det finns två olika varianter av en BJT, NPN-

och PNP-typ (Figur 1). För NPN-transistorn gäller att IB > 0, IC > 0 och IE < 0 och för PNP-

transistorn att IB < 0, IC < 0 och IE > 0 [5].

Nackdelen med BJT är dess relativa långsamma switchtider som gör dem olämpliga att

användas vid höga frekvenser. Fördelen är att den har en låg resistans i ledande tillstånd vilket

ger låga förluster vid höga strömmar och spänningar [6].

Figur 1 Modellbeteckning för PNP- samt NPN-BJT

MOSFET Transistor (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)

En MOSFET har tre terminaler drain, gate, source och finns som på samma sätt som för BJT i

två varianter men benämns N- och P-kanal (Figur 2).

Den största skillnaden mellan en MOSFET och en BJT är att en MOSFET är spänningsstyrd,

(BJT är strömstyrd), det innebär att en MOSFET styrs genom att styra spänningen UGS. Detta

fås genom att basingången är isolerad från ledningskanalen med ett lager av kiseloxid och när

5

en spänning läggs över ingången bildas ett elektrisktfält som påverkar en kapacitans som styr

strömflödet mellan drain och source. En stor nackdel med MOSFET är att dess inre resistans

ökar med temperaturen [7] vilket ger ett större spänningsfall över transistorn som leder till

högre förluster. Detta innebär att transistorn kräver bra kylning vid höga effekter vilket

medför ökade kostnader och utrymme. Förutom att bara använda bra kylning för att minska

förlusterna kan man med fördel parallellkoppla flera MOSFET. Strömmen kommer då att

fördela sig jämt över transistorerna eftersom strömmen väljer den väg med lägst resistans.

Fördelen med MOSFET är att den har mycket bra switchegenskaper vilket gör den väl lämpad

i högfrekventa applikationer [6].

Figur 2 Modellbeteckning för N- och P-kanal MOSFET

Schottkydiod

Till skillnad från de vanligaste dioderna, pn-övergång, som är uppbyggda av två lager av

dopade halvledarmaterial är schottkydioder uppbyggda av ett lager av metall (vanligtvis

aluminium) och en halvledare. Denna kontakt kommer endast att bero av majoritetsbärare

(som är elektroner för n-dopade material och elektronhål för p-dopade material) och pga. av

detta kommer schottkydioden vara mycket snabbare än en pn-övergångdiod som begränsas av

minoritetsbärare. En annan fördel är att framspänningsfallet är lågt, ungefär 0.25 volt, för en

vanlig kiseldiod är 0.7 volt vanligt. Dessa egenskaper gör att en schottkydiod lämpar sig att

användas i t.ex. switchkretsar med höga frekvenser. Nackdelen är dess förmåga att blockera

backspänningar som (i kraftelektronik) begränsas till några hundratals volt [8].

Figur 3 Modellbeteckning för Schottkydiod

6

2.2 I-V karakteristik

Inom elektroniken kallas relationen mellan en likström som flyter igenom och spänningsfallet

över en elektriskkomponent ström-spännings-karakteristik. Genom att analysera kurvorna kan

man fastställa vissa grundläggande parametrar hos en komponent, t.ex. resistansen i en

transistor. Dessa kurvor kallas för I-V kurvor där I och V hänvisar till de vanliga

betäckningarna för ström och spänning. Nedan visas en bild på en I-V kurva från en

MOSFET. I det linjära området kommer transistorn att fungera som en resistor vars värde

bestäms av VGS. Lägre spänning (VGS) leder till högre resistans. I det mättade området

(saturation region) är kanalbredden som störst och då kommer RDS vara så liten som möjligt

vilket resulterar i att transistorn leder den maximala strömmen [5, 11].

Figur 4 I-V kurva MOSFET

7

2.3 Fördelar med kiselkarbid

Kiselkarbid har materialegenskaper som gör att det kan leda högre strömmar och blockera

högre spänningar än de halvledarmaterial som används idag. Detta gör det väl lämpat för

användning som elektriska kraftkomponenter. En av de största fördelarna med SiC är att de

elektriska förlusterna när en komponent går från ledande till icke ledande är mycket små. SiC-

komponenter kan dessutom slås på och av väldigt snabbt och lämpar sig därför väl som

switchkomponenter.

För att spärra spänningar, U, måste halvledarens spärrskikt ha en viss tjocklek, W. Detta är

beroende av hur stort elektriskt fält, Emax, som materialet klarar utan genomslag. Minsta

tjocklek på W kan beräknas enligt ekvationen:

För SiC är det elektriska fältet, EMAX, ungefär tio gånger högre än hos kisel (EMAX är dock inte

en konstant utan beror av t.ex. temperatur och dopning av materialet) och detta medför att för

en viss spänning kommer tjockleken hos en SiC-komponent endast vara en tiondel av en

motsvarande Si-komponent eller för den delen spärra en 10 gånger högre spänning

(teoretiskt).

En annan stor fördel med kiselkarbid är dess värmeegenskaper. När temperaturen stiger ökar

även läckströmmar i backriktning. När detta sker ökar risken för överhettning och

ledningsförlusterna ökar. Temperaturgränsen för att kunna strömstyra och spärra

ä b c b ä

c C. Kiselkarbid har betydligt lägre läckströmmar oc ä b

ä C [9].

Unipolära komponenter:

Med unipolära komponenter menas att komponenten endast utnyttjar en typ av

laddningsbärare för att överföra ström, det kan vara n-dopat med elektroner som

laddningsbärare eller p-dopat då elektronhål är bärare. MOSFET och Schottky-dioder är två

exempel på unipolära komponenter.

8

Ett stort problem med MOSFET är att resistansen i spärrskiktet (kanalresistans), rdson, ökar ju

högre spänningen blir. Detta gör att en MOSFET av kisel endast kan användas upp till några

hundra volt innan förlusterna blir oacceptabelt höga. Resistansen kan beskrivas enligt:

där µ är rörligheten hos laddningsbäraren och samt är dielektriska konstanter. Eftersom

Emax ökar med kuben och Emax för SiC är ungefär tio gånger högre jämfört med Si kommer

resistansen att vara betydligt lägre hos en SiC komponent och medför betydligt lägre

ledningsförluster än hos en Si komponent [9].

Bipolära komponenter:

Bipolära komponenter, t.ex. BJT och pn-dioder, utnyttjar båda typerna av laddningsbärare för

att leda ström. Strömmen leds av elektroner levererade från katoden och av elektronhål från

katoden. Detta medför en betydande minskning av ledningsförluster jämfört med MOSFET.

Kostnaden för bättre ledningsförmåga är den tid det tar för komponenten att gå från ledande

till icke-ledande, switchtid. Den extra injicerade laddningen måste tas bort från komponenten

under släckning. Detta görs med hjälp av rekombination, en process som uppstår i spärrskiktet

och som neutraliserar elektroner och hål. Under tiden denna process pågår kan spänning och

ström dessutom nå höga värden vilket innebär höga switchförluster. Så låga ledningsförluster

medför försämrade switchegenskaper.

Eliminering av överskottsladdning måste även ske i unipolära komponenter men förlusterna är

betydligt mindre [9].

9

2.4 Inkapsling

Inkapslingen av transistorerna är utformade så att kylning ska kunnas appliceras från två

sidor. Tre keramiska substrat med mönstrade ledande spår monteras tillsammans med ett SiC

kraftelektronikchip i ett mackformad paket. För att kunna göra elektriska kontakter till chipet

går det mönstrade spåren från en platta till ovansidan på chipet som är gate eller bas och

source eller emitter beroende på om det är en BJT eller MOSET. Till undersidan av chipet,

drain/collector, fästs en keramplatta med hjälp av nanosilver. Genom plattorna görs ledande

å å ” ” c

för att skapa externa kontakter. Genom att fästa termiskt ledande dynor av termiskt

gränsskiktsmaterial (Thermal interfacial material, TIM) på över- och undersidan av paketet

kan kylning ske från bägge sidor av chipet [10].

Figur 5 Inkapslingspaket

10

3. Metod

Arbetet började med en litteraturstudie om kiselkarbid för att få lite bakgrund om funktion

och vad som är det största skillnaderna mellan kiselkarbid och kiselkomponenter. Detta är

beskrivet i teori avsnittet.

3.1 Kretsar

Switchkrets

För att mäta stig- och falltider (den tid det tar för transistorn att gå från icke ledande till fullt

ledande och vice versa) gjordes mätningar på transis jä ” w c ”,

figur 6. Kretsen är designad att kunna ge fina och exakta pulser till transistorn. Kretsen

byggdes och löddes på ett experimentkort.

å ” ” j ,

generar den mycket korta stig- och falltider. Detta är viktigt då resultatet, i princip, endast

beror och begränsas av transistorns egenskaper och inte av instabila pulser. Gate Drivern kan

även förstärka ström och spänning men det är inte nödvändigt i detta fall då pulsen generas

från en funktionsgenerator samt spänningsmatning från spänningsaggregat med tillräckligt

höga nivåer.

Med R styrs spänningen till basen på transistorn. Med hjälp av spänningsfallet kan även bas-

strömmen tas fram ”S -U ”

ä T ” b ” c ns, som är mindre än C,

kommer laddas ur snabbt och lagras temporärt i C.

L1 simulerar en induktiv last, t.ex. en motor. När transistorn inte leder kommer spolen att

försöka behålla samma ström som när den var ledande. Detta leder till att spänningen ökar

tills den tvingar strömmen att flyta genom spolen. Dessa spikar kan vara flera hundra gånger

större än VDC vilket kan skada transistorn. För att förhindra detta parallellkopplas en

schottkydiod, D1, med lasten. När transistorn inte leder kommer strömmen från spolen gå

genom dioden och förhindra de induktiva spikarna. IC fås genom att mäta spänningsfallet över

RIC, ett lågohms effektmotstånd.

11

Figur 6 Switch-krets

I-V krets

För att ta fram I-V kurvor har mätningar gjorts på kretsen nedan. För mätning på MOSFET

används inte basmotståndet då det inte flyter någon ström där. Basströmmen ersätts genom att

mäta UGS.

Figur 7 I-V krets

12

3.2 Mätuppställning

För att kunna göra mätningar på transistorerna har en hel del labbutrustning använts, så som

funktionsgenerator, spänningsaggregat, analogt och digitalt oscilloskop. Figur 8 visar

labbuppställningen. Alla data har sedan loggats manuellt genom att läsa av data från

oscilloskopen.

Figur 8 Testuppställning

För återskapning av IV-kurvorna för BJT-transistorerna har ett basmotstånd och ett

kollektormotstånd använts för att mäta strömmarna. För MOSFET krävs endast

kollektormotståndet då den är spänningsstyrd. Basströmmen har sats till ett fixt värde för BJT

och för MOSFET har UGS varit fixt. Sedan har kollektor-emitterspänningen, UCE, för BJT, eller

drain-sourcespänningen, UDS, för MOSFET ändrats/svepts och de olika mätvärden antecknats.

Parametrar som ström- och spänningsnivåer har styrts av värden som angivits i databladen för

F å ” ” ä å

mätvärden, dvs. små ändringar av UCE/UDS i taget, vilket har gjort mätningarna väldigt

tidskrävande.

13

För att göra mätningar i högre temperaturer placerades transistorn på ett stativ som sedan

sakta kunde föras in i en ugn. Att transistorn inte placerades i ugnen initialt beror på att ugnen

hade dålig reglering. För att undvika för snabba temperaturskillnader fördes transistorn sakta

in när ugnen hade nått önskad temperatur. Denna utrustning har använts till andra experiment

och fanns således redan hos Swerea IVF.

Figur 9 Ugns uppställning

Nedan visas en bild på hur switch-kretskortet såg ut. Resultatet av mätningarna på denna krets

blev dock väldigt dåliga och hamnade så långt ifrån det resultat som finns i respektive

datablad att resultatet inte representerade transistorns switchegenskaper.

Figur 10 Switch-krets

14

4. Resultat

I början gjordes mätningar på referenstransistorer, mest för att se att allt fungerade som det

var tänkt och för att se att mätresultaten var något så när de mätvärden som finns i respektive

datablad. Sedan gjordes mätningar på transistorerna med den nya inkapslingen. Mätningarna

är gjorda manuellt och har sedan plottats i Excel.

De första mätningarna gjordes på en MOSFET som var en effekttransistor från

InternationalRectifier, IRFP360, som beställdes från Elfa. Alla UGS från databladen är inte

uppmätta. Mätningarna är gjorda med en pulsbredd på 20us.

Figur 11 IV-kurva IRFFP360, från datablad .

Figur 12 IV-kurva IRFFP360, uppmätt C.

0,1

1

10

100

0,1 1 10

ID (

A)

UDS (V)

Ugs=5,5V

Ugs=5V

Ugs=4,5V

Ugs=4V

15

Det vi kan se på dessa kurvor är att de uppmätta värdena följer databladets värden relativt bra.

Transistorn går från det linjära området till det mättade området vid ungefär samma UDS-

värden och den maximala ström som transistorn kan leda visar på i princip samma resultat för

de uppmätta och de teoretiskavärdena.

Mätningar gjordes även på en BJT från Motorola, MJE13009. I deras datablad är dock

svepningen gjorda med fasta IC-värden istället för det traditionella att ha fasta IB-värden.

E b ä ˚ j ä

eller uppnå (blir betydligt varmare under en körning). Därför är det svårt att jämföra dessa

kurvor. Pulsbredden för dessa mätningar är 300us.

Figur 13 IV-kurva MJE13009, från datablad .

F F - E , ä C.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 0,5 1 1,5 2 2,5

IC (A

)

UCE (V)

Ib=200mA

Ib=150mA

Ib=100mA

Ib=50mA

16

Nästa jämförelse är att utföra mätningar på prototyptransistorerna med den nya inkapslingen.

Den första är en BJT från TranSiC, BT1206AB-P1 och den andra är med samma chip men

med ny inkapsling. Mätningarna är gjorda med en pulsbredd på 300us.

F - T - , b C.

F - T - C.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3

IC (A

)

UCE (V)

Ib=200mA

Ib=150mA

Ib=100mA

Ib=50mA

17

Nedan visas ett diagram innehållandes både databladets IV-kurva och det uppmätta resultatet.

F T b C.

Här ser vi en ganska stor skillnad mellan resultaten. De uppmätta resultaten har en flackare

lutning än de som presenteras i databladet. Detta indikerar på att det är mer resistans i

transistorn med den nya inkapslingen. När kurvorna planat ut visar även grafen att

strömförstärkningen är högre med den nya inkapslingen. Detta är motsägelsefullt då en högre

resistans i kretsen borde medföra en lägre ström och därmed en lägre strömförstärkning.

Strömmarna mäts över motstånd och en förklaring till resultatet kan vara att resistansvärdet

under en körning inte håller sig på den nivån som är uppmätt innan mätningen. Om värdet inte

är detsamma blir den uträknade strömmen inte korrekt (Ohms lag). Mer om detta tas upp i

rapportens diskussion avsnitt.

18

Nästa kurvor är SiC MOSFET från Cree, CPMF-1200. Pulsbredden är 20 us. Först data från

deras datablad sedan resultatet från mätningarna med samma chip men med ny inkapsling.

Figur 18 IV karakteristik SFET, F- , b C.

F SFET, F- , ä C.

Observera att här har bara de lägre värdena för UGS kunnat jämföras då utrustningen inte

kunnat leverera de högre effekterna. Nedan ser vi plottarna i samma diagram.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15

IC (A

)

UDS (V)

Ugs=12V

Ugs=11V

Ugs=10V

Ugs=9V

19

F SFET b C.

Även i detta fall ser vi att det uppmätta resultatet har en flackare kurva än databladets. Detta

indikerar som sagt på en högre resistans i kretsen men skillnaden mot det tidigare fallet är att

förstärkningen är lägre än databladets resultat. Ugs mäts över transistorn och mäts alltså inte

över ett motstånd. Detta eliminerar en eventuell felkälla och kan därmed medföra ett mer

korrekt resultat. Den ökade resistansen kan bero på resistans i ledningar och kontakter men

kan även orsakats av inkapslingsprocessen.

Nästa steg var att göra mätningar i högre temperaturer. Detta lyckades tyvärr inte då

transistorerna, en efter en, slutade att fungera när temperaturen höjdes. Detta berodde på att

kontakten mellan bas-emitter eller gate-source bröts på grund av att inkapslingen

expanderade när den utsattes för högre temperaturer. Se mer i diskussion avsnittet. Nedan

den körning som klarade sig längst.

Figur 21 I-V karakteristik MOSFET ny inkapsling. 200 C.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15

IC (A

)

UDS (V)

Ugs=9V

20

Mätningarna på stig- och falltider var långt från det förväntade resultat. Värdena var i tiotals

gånger högre än det presenterade i databladet. I figur 22 nedan visas avtiden på en BJT med

den nya inkapslingen där A visar UCE och B visar spänningen över kollektormotståndet som

representerar IC (det såg i princip likadant ut för referenstransistorerna). Som man kan se är

det väldigt höga spikar och det tar lång tid innan systemet har stabiliserat sig. Enligt

databladet ska denna BJT ha en avtid på ungefär 20ns. Vad detta beror på är med största

sannolikhet ett resultat av för långa kablar och dåliga lödningar. Detta beskrivs lite mer i

diskussions avsnittet.

Figur 22 Avtid BJT med ny inkapsling

21

5. Diskussion

Arbetet började med att undersöka vad kiselkarbid egentligen har för positiva egenskaper

gentemot kisel. Detta följdes av att ta fram lämplig testmetod för att jämföra mätvärden. Det

huvudsakliga målet var att ta fram IV-kurvor och sedan, i mån av tid, göra mätningar på t.ex.

stig- och falltider. Under denna period beställdes även komponenter som skulle användas till

arbetet. På Swerea F ä ” bb” ä

tillgå. Utformningen av testriggen utgicks från vad som fanns på företaget vilket ledde till att

manuella mätningar fick utföras. Spänningsaggregat, oscilloskop och funktionsgenerator

kopplades upp. I början gjordes testmätningar på referenstransistorerna och de största problem

som uppstod då var att transistorn och shuntmotstånden blev väldigt varma och påverkade

resultatet väldigt mycket. Även vid pulsade förhållande blev värmeutvecklingen för stor.

Detta löstes med att använda en delay på 10 ms före/efter varje puls (max som gick att ställa

in på pulsgenera ) å ä ” ” c å

krävdes ganska många värden för att få fina kurvor var mätningarna väldigt tidskrävande. När

jag började examensarbetet fanns inga färdiga transistorer med den nya inkapslingen utan

des å U ” ”,

figur 5, ihop. Efter en del mätningar och test kundes det dock konstateras att dessa mätvärden

inte var i närheten av de värden som presenterats i databladen. Största felkällan var

förmodligen kabellängden och lödningarna som gav upphov till de försämrade switchtiderna.

Syftet var inte att återskapa exakta värden då detta i princip är omöjligt då placering av

komponenter och kabellängd måste vara identiskt med hur uppställningen i tillverkarens

datablad såg ut, utan mer att få en ungefärlig bild av hur switchtiderna såg ut i de nya

inkapslingarna.

De första transistorerna med den nya inkapslingen hade två stora problem. Det första var att

fästa mätprober/kopplingstråd på transistorn. Anslutningarna antingen knäcktes eller tappade

kontakten med kontaktytan mellan lagren. Detta hände på både BJT och MOSFET. Andra

problemet var att under lödningen i tillverkningsprocessen hade kontakt skapats mellan bas

och emitter vilket ledde till kortslutning vid mätning. Själva inkapslingsprocessen (beskrivet i

teoridelen) var ganska långsam, då den dels görs för hand och sedan måste lödas i ugn i ca 7

timmar.

22

Nästa transistorer hade förstärkts med limmade anslutningar vilket underlättade infästningen.

Vissa transistorer fungerade, andra inte. Orsak var som nämnt tidigare att lödpasta hade

kortslutit vissas bas och emitterkontakter. Efter några omgångar kunde mätresultaten som är

presenterade under resultat kapitlet erhållas. Transistorerna fungerar och visar tydligt IV-

karakteristiken med det linjära området samt det mättade området. Dock verkar transistorerna

prestera sämre med den nya inkapslingen. Mätuppställningen har en del felkällor och är inte

optimal. Effektmotstånden för mätningen av strömmarna har en viss felmarginal, det blir

dessutom varma under de långa mätningarna. Lutningen på kurvorna indikerar på att det är

mer resistans i transistorn med den nya inkapslingen. Brantare kurvor betyder lägre resistans,

RDS eller RCE kan utläsas genom att dividera kollektorspänningen med kollektor-

emitterströmmen (UDS/IDS=RDS för MOSFET). Detta kan bero på att inkapslingsprocessens höga

temperatur har orsakat förändrade egenskaper i transistorn. Men eftersom ingen hänsyn togs

till resistans i ledningar och kontakter är det förmodligen där den största felkällan är.

Strömmen fås genom att mäta spänningsfallet över motstånden, vars resistans är känd, och

sedan ta fram strömmen genom Ohms lag (U=R*I). Är resistansen högre mellan

(mätproberna) kollektor-emitter/drain-source för BJT/MOSFET, kommer det krävas högre

spänning (UCE/UDS) för att uppnå samma ström. Se figur 17 och 20. I grafen för BJT-

transistorn visar den nya inkapslingen en större strömförstärkning men samtidigt högre

kanalresistans. En förklaring kan vara att bas- och kollektorströmmen egentligen är lägre pga.

resistansen i kontakter och ledningar men tagits fram från motståndets uppmätta värde.

Transistorn blir även varm efter en viss tids körning vilket påverkar resistansen. Det har även

varit svårt att läsa av exakta värden på oscilloskopen. Eftersom svepningen börjar med låga

värden och sedan ökas måste skalan ändras, zoomas ut, och på så sätt förloras viss

noggrannhet vid avläsning.

När kurvorna i rumstemperatur var klara skulle mätningar i högre temperatur utföras.

Transistorn placerades på ett stativ som sedan sakta fördes in i ugnen. Problemen var att

transistorerna är väldigt ömtåliga och det var väldigt lätt att någon av plattorna förlorade

kontakten med transistor chipet. Även om stativet fördes in sakta uppstod lite vibration som

kunde skada konstruktionen. Vissa transistorer fungerade inte alls andra endast en kort stund.

Ett försök att lösa problem var att sätta lite lim mellan plattorn som skulle hålla de samman

bättre. Till en början fungerade detta bra men efter ett tag i ugnen expanderade limmet, om än

väldigt lite, tillräckligt för att kontakt mellan olika delar bröts. Försök gjordes även med

23

användning av minimalt med lim men med samma resultat. I resultat delen finns den mätning

som kunde utföras längst innan transistorn slutade att fungera presenterad (figur 21).

Minskad miljöpåverkan och mer energieffektiva lösningar blir allt viktigare aspekter att ta

hänsyn till i dagens samhälle. Högre krav ställs på att minska t.ex. utsläpp. För en hållbar

utveckling krävs effektivisering i stora som små applikationer. Elbilar och elhybridbussar

kommer i framtiden spela en viktig roll hur vi påverkar miljön. Kiselkarbid som

halvledarmaterial kan vara en del i lösningen. Dess egenskaper medför mindre förluster en

kisel för, framförallt, höga spänningar och höga temperaturer, vilket gör materialet väldigt

intressant att använda i just dessa applikationer där verkningsgraden är oerhört viktig.

Framtiden för kiselkarbid ser ljus ut. Nya framställningsmetoder har öppnat upp möjligheter

att ta fram komponenter som både har hög prestanda men som också är prisvärda.

5. 1 Förbättringsförslag

Ett sätt att minska eventuella felkällor i mätresultatet hade varit att antingen försökt använda

så korta ledningar som möjligt och försöka minska användningen av externa kontakter.

Alternativ mäta resistansen i alla ledningar och kontakter.

Ett bättre sätt att mäta kurvorna hade varit att kunna logga alla mätningar på en dator direkt

istället för att göra mätningarna manuellt. Svepningarna skulle då kunna göras avsevärt

mycket fortare och påverkan av temperaturen i transistorn och andra komponenter minskar.

Förslagsvis skulle man kunna implementera mätningarna i LabView med hjälp av att en DAQ

tar in mätsignalerna, och sedan kunna plotta grafer direkt i programmet, och analysera och se

skillnader snabbt i de olika mätningarna. Man skulle även kunna mäta strömmarna utan att

behöva mäta över shuntmotstånden vilket minskar eventuella felkällor. Tyvärr har detta inte

varit möjligt att utföra då utrustning inte har varit tillgänglig samt att tiden varit begränsad.

Dock är det svårt att uppnå resultaten som tillverkaren anger i sina produktblad då de

använder mer avancerad utrustning.

Examensarbetet har givit insikt i hur svårt det är att praktiskt att bygga ihop den nya

inkapslingen och kunna utföra mätningar på den. En del kommer att designas om, och en

lösning som var uppe på tal var att efter inkapslingen glasa in hela paketet vilket skulle göra

det mycket mer robust och tåligt.

24

6. Referenser

[1]: Liu, Yong. Power Electronic Packaging: Design, Assembly Process, Reliability and

Modeling. 2012.

[2]: http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_carbide (15/8-2012)

[3]: http://sv.wikipedia.org/wiki/HTCVD-metoden (15/8-2012)

[4]: http://www.cree.com/news-and-events/cree-news/press-releases/2011/january/110117-

mosfet (15/8-2012)

[5]: Molin, Bengt. Analog elektronik. 2:a uppl. 2009

[6]: Ebersson J. Design och konstruktion av laborationsutrustning till en kraftelektronikkurs.

2010.

[7]: http://documentation.renesas.com/doc/products/transistor/apn/rej05g0001_pmf.pdf (15/8-

2012)

[8]: http://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode (15/8-2012)

[9]: Bergman, Karl. 1996. Kiselkarbid –framtidens material för krafthalvledare. ABB Tidning

1/96: 37-42.

[10]: K. Brinkfeldt, T. Åklint, C. Sandberg, P. Johander, D. Andersson, "High Temperature

Packaging for SiC Power Transistors". Proceedings of IMAPS 2012 - 45th International

Symposium on Microelectronics, September 9-13, 2012, San Diego

[11]: http://en.wikipedia.org/wiki/Current%E2%80%93voltage_characteristic (15/8-2012)