CS242157B1

CS242157B1 - Method of Quality Assessment of Power Semiconductor Systems

Info

Publication number: CS242157B1
Application number: CS844760A
Authority: CS
Inventors: Oldrich Vanek; Milan Kempny; Rudolf Harman; Timotej Simko; Jaroslav Podebradsky
Original assignee: Oldrich Vanek; Milan Kempny; Rudolf Harman; Timotej Simko; Jaroslav Podebradsky
Priority date: 1984-06-22
Filing date: 1984-06-22
Publication date: 1986-04-17
Also published as: CS476084A1

Abstract

Vynález sa týká spůsobu hodnotenia kvality systémov výkonových polovodičových súčiastok pomocou elektrohydraulického pulzátora, ktorého podstatou je, že na systém výkonovej polovodičovej súčiastky sa působí kombinovanou silou pozostávajúcou z prítlačnej sily a sily s volitelnou amplitúdou, pričom na systém polovodičovej výkonovej súčiastky je připojené vysoké jednosměrné napátie a meria sa závěrné napátie aj blokovacie naptie, ktoré je úměrné degradaci! systému.The invention relates to a method of assessing the quality of power semiconductor component systems using an electrohydraulic pulsator, the essence of which is that a combined force consisting of a pressing force and a force with a selectable amplitude is applied to the power semiconductor component system, while a high direct voltage is connected to the power semiconductor component system and the reverse voltage and the blocking voltage, which are proportional to the degradation of the system, are measured.

Description

242157242157

Vynález sa týká spůsobu hodnotenia kva-lity systémov výkonových polovodičovýchsúčiastok pomoeou elektrohydraulickéhopulzátora.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for evaluating the quality of power semiconductor components by means of an electrohydraulic pulsator.

Na hodnoteníe kvality výkonových polo-vodičových súčiastok ako aj na hodnotenieich parametrov pri zmene konštrukcie slú-žia dnes skúšky, kedy sú súčiastky vystave-né teplotným změnám — tepelnému cyklo-vaniu (napr. teplotný interval od 50 °C do150 °C).The evaluation of the quality of the power semiconductor components as well as the evaluation of the parameters in the design change are now used to test the temperature cycling (eg temperature range 50 ° C to 150 ° C).

Teplotný cyklus představuje ohřev sú-čiastky priamym prechodom prúdu, pričomsa stratovým výkonom zvýši jej teplota nanapr. 150 °C a jej rýchle ochladenie na vý-chodziu teplotu. Tieto teplotně změny súsprevádzané vznikom přídavného mechanic-kého napátia v „bimetalovej sústave“ kře-mík — molybden. Následkom rozdielnychkoeficientov lineárnej rozťažnosti obochpartnerov systému křemík — molybden do-chádza pri teplotných změnách k vzniku pří-davných napátí vo vrstvě spájky systémukřemík — molybden a po určitom počte tep-lotných cyklov (ktorý závisí od zvolenéhoteplotného rozdielu pri cyklovaní a od dalšíchparametrov systému) dochádza k degradáciip-n priechodu v sytéme, ktorý sa nachádzav kremíkovej doske, je vytvořený napr. di-fúziou příměsí do kremíka a zabezpečujeusmerňovacie vlastnosti diody výkonovejpolovodičové] súčiastky následkom elek-trického a tepelného prierezu. Meraním cit-livého fyzikálneho parametra systému na-příklad závěrného napátia p-n priechodumožno počas teplotného cyklovania zistiťdegradáciu súčiastky. Počet teplotných cyk-lov do degradácie súčiastky bývá 106 alebovyšší, čo představuje časový úsek asi 103až 104 hodin nepretržitej prevádzky, pri vy-sokých nárokoch na spotřebu energie achladiacej vody (potrebnej pri prudkom o-chladzovaní systému) a aj na nepretržitúobsluhu.The temperature cycle represents heating of the sums by direct passage of the current, with the loss of power increasing the temperature of the nanapro. 150 ° C and its rapid cooling to the outlet temperature. These temperature changes are accompanied by the formation of additional mechanical tension in the "bimetallic system" of the shrub-molybdenum. As a result of the different linear expansion coefficients of the silicon-molybdenum system components, the temperature changes lead to additional stresses in the solder layer of the silicon-molybdenum system and, after a certain number of temperature cycles (which depend on the selected temperature difference for cycling and other system parameters), the degradation of the passage in the system, which is located in the silicon plate, is created by, for example, di-fusion of the admixture into the silicon and ensures the rectifying properties of the diode of the power semiconductor component due to the electrical and thermal cross-section. By measuring the sensitive physical parameter of the system, for example, the closure stress p-n, it is possible to detect the degradation of the component during temperature cycling. The number of temperature cycles to component degradation is typically 106, which is about 103-104 hours of continuous operation, with high energy and cooling water consumption requirements (needed for rapid system cooling) as well as continuous operation.

Vyššie uvedené nedostatky sú odstránenésposobom hodnotenia kvality systémov vý-konových polovodičových súčiastok, které-ho podstatou je spósob hodnotenia kvalitysystémov výkonových polovodičových sú-čiastok, vyznačujúci sa tým, že na systémvýkonovej polovodičové]' súčiastky sa póso-bí kombinovanou silou pozostávajúcou zprítlačnej sily o velkosti 102 až 101 N a zpulzujúcej sily s volitelnou amplitúdou ++ 102 až 104 N, pričom na systém polovo-dičovej výkonovej súčiastky je připojenévysoké jednosměrné napatie 1 až 3,5 kV amería sa závěrné napatie a blokovacie na-patie systému, ktorých změna je úměrnádegradácii systému výkonovej polovodičo-vej súčiastky.The aforementioned drawbacks are eliminated by the process of evaluating the quality of power semiconductor devices, the essence of which is the method of evaluating the quality of power semiconductor components, characterized in that the power semiconductor component is combined with a combined force consisting of a compression force of size 102 to 101 N and the amplifying force with selectable amplitude ++ 102 to 104 N, wherein a high unidirectional voltage of 1 to 3.5 kV is connected to the semiconductor power component system and a closing voltage and blocking na-patio system whose change is proportional to degradation power semiconductor system.

Vyšší účinok spósobu hodnotenia kvalitysystémov výkonových polovodičových sú-čiastok podlá vynálezu oproti doteraz po-užívanému postupu spočívá v znížení spo-třeby energie minimálně o 104 Kw/h oprotidoteraz používaným teplotným cyklickým skúškam, v skrátení času potřebného naskúšky 103krát v šetření pracovných sil vpočte najmenej 1 000 hodin, v ušetření chla-diacej vody v množstve cca 200 m3 a urých-lení práč vo výskume a vývoji výkonovýchpolovodičových súčiastok najmenej o 3 me-siace.The higher effect of the method of evaluating the quality of the power semiconductor components of the invention compared to the previously used method is to reduce the power consumption by at least 104 Kw / h of the temperature cyclic tests used so far, to reduce the time needed to test 103 times in the workforce survey of at least 1 200 hours, saving about 200 m3 of chilled water and speeding up the research and development of power semiconductor devices by at least 3 months.

Vyznačený postup je novou diagnostickoumetodou pre hodnotenie vlastností výkono-vých polovodičových súčiastok, ktorá umož-ňuje nahradit doterajšie teplotně cyklickéskúšky výkonových polovodičových súčias-tok.The procedure is a new diagnostic method for evaluating the performance of power semiconductor devices, which allows to replace the current thermal cycling tests of power semiconductor components.

Cyklické skúšky je možné vykonávat v e-lektrohydraulickom pulzátore, ktorý umož-ňuje cyklické namáhanie tah —. tlak s har-monicým sinusovým priebehom zafažovacejsily, Frevencia zatažovania je volitelná, a-však obmedzená amplitúdou — írekvenčnoucharakteristikou systému. Pre účely cyklic-kých skúšok systémov výkonových polovo-dičových súčiastok je dostatočná sila s am-plitúdou do + 10 000 N, maximálna hodno-ta statickej sily je tiež 10 000 N. Druhá al-ternativa je na vykonáváme cyklických skú-šok systémov výkonových polovodičovýchsúčiastok použitie rezonančného pulzátora,ktorý taktiež umožňuje statické a aj cyklic-ké zaťažovanie tah — tlak.Cyclic tests can be carried out in an e-electrohydraulic pulsator that allows cyclic tensile stress. pressure with a sinusoidal sinusoidal waveform, the retraction effect is optional, but limited by the amplitude - the frequency characteristic of the system. For the purposes of cyclic tests of power semiconductor component systems, a force of up to + 10,000 N is sufficient, the maximum static force is also 10,000 N. The second alternative is to perform cyclic test of power systems. semiconductor components use a resonant pulsator that also allows static and cyclic thrust-pressure loads.

Na obrázku je znázorněná část držiakapre súčasné cyklické namáhanie 5 kusovsystémov křemík — molybden alebo křemík— wolfram s p-n priechodom s použitím za-ťažovacej čeluste a s podpěrným medzikru-žím. Horná čelusť pulzátora dosadá na pří-tlačný texgumoidový třň 1, ktorý tlačí nazaťažovaciu čelusť 2 s roznášecím krúžkom3 a čelusť prenáša silu s amplitúdou Ψ Paako aj statickú prítlačnú silu Po na vlastnýmeraný systém 4 křemík — molybden ale-bo křemík — wolfram, ktorý je uložený napodpernom medzikrúžku 5. Ďalšia zaťažo-vacia čelusť 6 s dalším měděným roznáša-cím krúžkom 7 prenáša cyklické namáha-nie na další meraný systém a posledný pod-pěrný medzikrúžok piateho meraného sy-stému leží v druhom prítlačnom texgumoido-vom tfne, ktorý dosadá na spodnú čelusťpulzátora. Příklad konkrétného spósobu hodnoteniakvality systémov výkonových polovodičovýchsúčiastok podlá vynálezu pri použití elektro-hydraulického pulzátora.In the figure, part holds for the simultaneous cyclic loading of 5 pieces of silicon-molybdenum or silicon-tungsten systems with a p-n passage using a loading jaw and an annular support. The upper face of the pulsator rests on the compression texgumoid yoke 1, which pushes the load-bearing jaw 2 with the spreading ring 3 and the jaw transmits the force with the amplitude aj Paako as well as the static pressure force Po to the proprietary system 4 silicon-molybdenum or silicon-tungsten which is stored with a further intermediate ring 5. A further load-bearing ring 6 with a further copper distribution ring 7 transmits the cyclic stress to the next measured system and the last supporting intermediate ring of the fifth measured system lies in the second pressing texgumoid which rests on the bottom pusher. An example of a particular method of evaluating the quality of power semiconductor device systems of the present invention using an electro-hydraulic pulsator.

Vyrobené systémy křemík —- molybden opriemere 28 mm s hrubkou molybdenu 1,2 mma kremíka 0,3 mm bolí uložené v držiaku po-dlá obrázku a mechanicky cyklované silou samplitúdou + 1 θθΟ N a přítlačnou silou2 000 N. Súčasne sa meralo závěrné napa-tie jednotlivých systémov a zaznamenávalsa tvar VA charakteristiky po určitom poč-te cyklov (napr. po každých 500 až 1000cykloch). U meraných systémov došlo kprudkému zníženiu závěrného napatia a zá-roveň k rapídnej zmene tvaru VA charakte-ristik. Tieto změny meraných parametrovProduced silicon systems - molybdenum diameters of 28 mm with molybdenum thickness of 1.2 mm and 0.3 mm of silicon are stored in the holder according to the figure and mechanically cycled by the force of the sample + 1 θθ N and the pressing force of 2,000 N. the individual systems and record the shape of the VA characteristic after a certain number of cycles (e.g., every 500 to 1000 cycles). In the systems measured, the closing voltage was reduced sharply and the VA shape was rapidly changed. These changes in the measured parameters

Claims

242 5 correspond to the changes observed in the systems degradation in temperature tests. For the systems under review, these changes occurred at cycles of 1.2 to 1.5, IQ5, representing 10 to 50 hours of the selected assay parameters. The new mechanical stress procedure of the Si - Mo system can be used: • for periodic quality control of technological operations in the production of semiconductor 57 6 power components by means of cycling tests on selected sets of systems with simultaneous measurement of their parameters, for checking the parameters of newly developed components for long - term mechanical loading, for evaluation impact of structural change or technological operation on component parameters in mechanical cycling. SUBJECT MATERIALS A method for evaluating the quality of power semiconductor components, characterized in that they are combined with a power conductor component system by a combined force consisting of a 10 až to 104 N compressive force and a pulsating force with YNALEZ selectable amplitude + 102 up to 104 N, a high unidirectional to-patie of 1 to 3.5 kV is connected to the semiconductor power component system, and the closing voltage and the blocking voltage of the system are measured, which are inadequate degradation of the system.