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
Le LAAS possède également un vidéo microscope HIROX permettant de réaliser des mesures sur des images de haute qualité. Ce microscope possède un éclairage qui peut être coaxial, annulaire ou mixte et un grossissement maximal de 5000X pour la lentille HR-5000. En plus d’un microscope classique, il permet aussi de réaliser des images et mesures en 3D ainsi que des « tiling » (superposition d’images pour reconstituer une image globale nette).
Les spécifications techniques et optiques sont disponibles ci-dessous :
Ce microscope a également l’avantage de posséder une deuxième lentille (HR-5040) utilisé uniquement pour faire de l’imagerie (pas de mesures possibles) et qui peut être équipée d'un adaptateur à tête rotative pour une inspection oblique. Les spécifications optiques de cette lentille sont disponibles ci-dessous :
Ce microscope pourra donc être utilisé dans le cadre du projet PROOF pour des besoins d’imagerie ou de mesure des composants.
Conditionneur de température MPI TA5000-A
Un nouveau conditionneur de température de type « girafe » est installé depuis avril 2021 au LAAS. Il est utilisé pour caractériser électriquement des composants électroniques packagés en fonction de la température, grâce à un flux d'air contrôlable de -80°C à 225°C. Cet équipement permet de maintenir une température stable pendant toute la durée du test électrique. Une vitesse de transition élevée (environ 15°C/s) permet d’explorer de nombreux points de température de consigne dans une durée d’expérimentation raisonnable. Le bruit acoustique provoqué par l’équipement est inférieur à 50dBA.
Very Fast TLP
Le VF-TLP (Very Fast Transmission Line Pulse) est installé depuis septembre 2021. Il s’agit d’un générateur d’impulsions électriques ultra courtes qui permet de mesurer tension et courant dans le composant. Cet équipement permet de comprendre le comportement physique des composants lorsqu’ils sont agressés par une décharge électrostatique (ESD).
Conçu pour effectuer des mesures en régime de polarisation quasi-statique, en générant des impulsions de courant d’amplitude variable, ce banc de mesure propose un test non-destructif afin d’analyser le comportement des structures de protection avant leur détérioration.
Les largeurs de pulses générés sont modifiables et vont de 1ns jusqu’à 500 ns et le courant max sera de 80A. L’équipement est également équipé d’un sourcemeter pour des caractérisations I(V) à bas courant.
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