DE102009044057A1

DE102009044057A1 - Verfahren und Vorrichtung zur materialspezifischen Charakterisierung eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102009044057A1
Application number: DE102009044057A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Franke; Gerd Dr. Bettenwort; Ingo Dr. Schwirtlich; Jonas Brückner
Original assignee: SMA Solar Technology AG; Schott Solar AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-19
Also published as: DE102009044057C5; TW201122506A; WO2011032993A1; DE102009044057B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur materialspezifischen Charakterisierung zumindest eines Halbleiterbauelements. Ein entsprechendes Verfahren soll derart weitergebildet werden, dass zeitliche Änderungen in den in den Halbleiterbauelementen verwendeten Materialien, durch äußere und innere Ursachen verursacht, rechtzeitig vor dem Auftreten größerer Schäden erkannt werden. Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass das Halbleiterbauelement durch eine Wechselspannung über einen weiten Frequenzbereich angeregt wird, die Impedanz des Halbleiterbauelements als Funktion des Frequenzgangs gemessen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur materialspezifischen Charakterisierung eines Halbleiterbauelements. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Charakterisierung und Produktionskontrolle von Halbleiterbauelementen, werden verschiedene Messeverfahren angewendet. Standardverfahren für Dioden wie auch Solarzellen und Module ist die Ermittlung der Strom-Spannungs Kennlinien (UI) mit und ohne Beleuchtung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Stromflusses, die Beleuchtungen im Dauerbetrieb oder mit Lichtblitzen, die unter definierten Lichtbedingungen die abgegebene Leistung der Bauteile, wenn es sich um Solarzellen und Module handelt aufzeichnen. Minderleistungen lassen sich so ermitteln, ohne die Ursachen hierfür interpretieren zu können.
Halbleiterbauelemente im Bereich der Photovoltaik werden bezüglich ihres Lebensdauerverhaltens standardisierten Tests unterworfen, die sicher stellen sollen, dass sie ihre Aufgabe 20 Jahre erfüllen können (Gewährleistung). Diese Tests wurden auf der Basis umfangreicher Felduntersuchungen ausgearbeitet und haben sich beim Einsatz von Solarmodulen in mittleren klimatischen Breiten bewährt.
Die Durchführung solcher Tests zur Zertifizierung neuer Produkte ist in den Standards IEC 61215, IEC 61646, ICE 62108 und UL 1703 festgelegt. Diese Tests sind jedoch nicht in der Lage, Veränderungen an den Halbleiterbauelementen während ihres Einsatzes festzustellen und möglicherweise entstehende Schäden rechtzeitig zu erkennen.
Weitere Verfahren bestehen in der Durchführung von Photo- und Elektro-Lumineszenz-Messungen, mit denen topographische Untersuchungen an flächenhaften Halbleiterbauelementen durchgeführt werden können und die Hinweise auf Ursachen einer Minderleistung oder auf Fehler in einem Bauteil geben können. Besonders sind dies Volumenfehler oder Kontaktfehler im Halbleiterbauelement. Nachteilig hierbei ist, dass die Bauteile nur einzeln untersucht werden können und dazu in ein Meßlabor gebracht werden müssen. Dies bedeutet, dass die Untersuchung von zeitlichen Veränderungen an und in den Halbleiterbauelementen nur mit großem Aufwand d. h. mit Demontage vor Ort, Transport zum Meßlabor und Wiedermontage am jeweiligen Einsatzort möglich ist.
Aus DE-B-10 2006 052 295 ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch Einleiten eines Wechselstromes in die Anschlussleitungen eines Photovoltaikgenerators Änderungen in der elektrischen Installation erkannt werden können. Ziel dieser Erfindung ist die Detektion von entstehenden Lichtbögen als Folge von schadhaften elektrischen Verbindungen innerhalb der Installation sowie das Erkennen von Diebstählen. Mit dem beschriebenen Verfahren können Diebstähle von Solarmodulen aus Solaranlagen nachts erkannt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur materialspezifischen Charakterisierung von Halbleiterbauelementen aufzuzeigen, dass zeitliche Änderungen in den in den Halbleiterbauelementen verwendeten Materialien, durch äußere und innere Ursachen verursacht, rechtzeitig vor dem Auftreten größerer Schäden erkannt werden. Auch soll mit dem Lösen der Aufgabe auch eine reguläre Qualitätskontrolle der produzierten Halbleiterbauelemente ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das zumindest eine zu vermessende Halbleiterbauelement durch eine Wechselspannung über einen weiten Frequenzbereich angeregt wird und die Impedanz des Halbleiterbauelementes als Funktion des Frequenzganges gemessen wird.
In Abhängigkeit von den inneren und äußeren Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen ergibt sich für die Halbleiterbauelemente ein charakteristischer Frequenzgang der Impedanz (Impedanzspektrum), das für ein gegebenes Design des Halbleiterbauelementes und die durch äußere und innere Einflüsse hervorgerufenen Veränderungen charakteristisch ist.
Diese äußeren und inneren Einflüsse sind z. B. Temperatur, Temperaturänderungen, die Konzentration von Feuchte und ihre Änderung sowie chemische Reaktionen im Inneren sowie an äußeren Komponenten.
Unter chemischen Reaktionen im Inneren können beispielhaft Wechselwirkungen von Beschichtungen der Halbleiterbauelemente mit Feuchte oder daraus entstehende Säuren verstanden werden. Bei chemischen Reaktionen im Äußeren kann es sich um Korrosionsvorgänge an elektrisch leitenden Komponenten, sowie um Reaktionen mit den Einkapselungsmaterialien, wie z. B. dem Deckglas oder dem Kontakt von Rahmen zum Deckglas bei Solarmodulen handeln.
Es wurde überraschend gefunden, dass sich diese durch innere und äußere Einflüsse hervorgerufenen Veränderungen im Impedanzspektrum in charakteristischer Weise manifestieren. Diese Veränderungen bestehen vorrangig in Frequenz- und Phasenverschiebungen charakteristischer Maxima und Minima innerhalb des Impedanzspektrums.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre ist die Möglichkeit zur In-situ Erfassung von materialspezifischen Veränderungen der Halbleiterbauelemente. Hierzu wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgeschlagen, die aus den festgestellten Veränderungen eine Messgröße für materialspezifische Veränderungen ableitet, die als Indikator dient.
Als Halbleiterbauelement sind insbesondere z. B. LEDs, Dioden und andere Bauelemente mit Halbleitereigenschaften, besonders einzelne Solarzellen, miteinander verschaltete und/oder in Wechselwirkung stehende Solarzellen, einzelne Solarmodule, miteinander verschaltete und/oder in Wechselwirkung stehende Solarmodule in jedweden Bau- und Ausführungsformen zu verstehen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verlauf der Impedanz als Funktion einer zwischen Plus- und Minuspol angelegten Wechselspannung in einem weiten Frequenzbereich gemessen wird und das charakteristische Antwortprofil mit seiner Signatur bestimmt wird.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass der Verlauf der Impedanz als Funktion einer zwischen kurzgeschlossenem Plus- und Minuspol und Masse angelegten Wechselspannung in einem weiten Frequenzbereich gemessen wird und das charakteristische Antwortprofil mit seiner Signatur bestimmt wird.
Kennzeichnend für die Erfindung ist des Weiteren, dass das charakteristische Antwortprofil der Impedanz als Funktion des Designs, d. h. seiner Geometrie und seiner materialspezifischen Zusammensetzung, von Halbleiterbauelementen bestimmt ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das charakteristische Antwortprofil der Impedanz zur Charakterisierung des Alterungsverhaltens von Halbleiterbauelementen im Vergleich zu ihrem Ausgangszustand bestimmt wird.
In hervorzuhebender Weise sieht die Erfindung vor, dass der Verlauf der Impedanz als Funktion von Temperatur und Temperaturwechseln, der Feuchte und ihren Konzentrationsänderungen sowie der Konzentration von chemischen Spalt- und Nebenprodukten in den Halbleiterbauelementen bestimmt und zur Charakterisierung der Qualität, von Funktions- und/oder Herstellungsfehlern und des Zustandes der Halbleiterbauelemente in Folge von Alterungserscheinungen verwendet wird.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Veränderungen im Verlauf der Impedanz durch Einwirkungen von Temperatur, der Feuchte, der Konzentration von chemischen Spalt- und Nebenprodukten, wie sie im Feld durch klimatische Einflüsse entstehen können, bestimmt und spezifischen Veränderungen wie z. B. des elektrischen Widerstandes, der Kapazität und Induktivität in den Halbleiterbauelementen und ihrer Verschaltung, der Höhe der Leckströme in den Halbleiterbauelementen und/oder ihren Verschaltungen zugeordnet werden.
Insbesondere ist auch vorgesehen, dass der Verlauf der Impedanz der Halbleiterbauelemente zur Charakterisierung von entstehenden Veränderungen und zur frühen Erkennung von Fehlfunktionen wie Korrosions- und Kontaktproblemen, Delaminationen und damit einem nachhaltigen Nachlassen der Leistungsfähigkeit dient.
Auch zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Phasenverschiebung des Antwortsignals relativ zum Ausgangssignal festgestellt und als Signal für kapazitive bzw. induktive Änderungen in Halbleiterbauelementen verwendet und mit diesen korreliert wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Wechselspannungsgenerator, ein Impedanzmeßgerät, ein Gerät zur Erfassung auftretender Phasenverschiebungen, eine Auswertelogik zur Berechnung einer Meßgröße als Indikator für die stattgefundenen Veränderungen zusammengeschaltet und mit einer geeigneten Ausgabeeinheit verbunden sind.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre wird bzw. werden ein Halbleiterbauelement bzw. Halbleiterbauelemente durch ein einfaches und schnell anzuwendendes Messverfahren in seinen bzw. ihren materialspezifischen Eigenschaften charakterisiert und beurteilt. Durch die erfindungsgemäßen Verfahrensmaßnahmen und Vorrichtung werden sowohl Aussagen über die Qualität des bzw. der Halbleiterbauelemente, spezifische Fehler in der Produktionskontrolle wie auch eine Kontrollebewertung des Ladungsverhaltens ermöglicht. Wesentlich ist dabei, dass eine Wechselspannungsanregung des Halbleiterelements erfolgt und die Impendanz als charakteristisches Antwortprofil mit ihrem spezifischen Impedanzprofil für unterschiedliche Materialqualitäten, Bauteilfehler, Alterungsstadien und andere charakteristische Merkmale der Halbleiterbauelemente ausgewertet wird.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
ein Blockschaltbild,
1b ein Impendanzspektrum,
1c ein Ersatzschaltbild,
ein Blockschaltbild,
ein Impendanzspektrum,
ein Blockschaltbild und
eine Prinzipdarstellung einer Messanordnung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist entsprechend die Einspeisung einer Wechselspannung mit variabler Frequenz 111 in die Anschlüsse 112 und 113 des Halbleiterbauelementes. Das hierbei gemessene Impedanzspektrum 114 mit der Impedanz Z als Funktion der Frequenz f ist beispielhaft in wieder gegeben, wobei die Lage der Maxima und Minima charakteristisch für das Design, die Ausführung und die materialspezifischen Zusammensetzungen sind. Veränderungen durch äußere oder innere Einflüsse führen zu einer charakteristischen Veränderung des Impedanzspektrums, wie beispielhaft in 115 wieder gegeben. Eine Zuordnung der Ursache für die Veränderung des Halbleiterbauelementes zu der Änderung des Impedanzspektrums liegt in dem materialspezifischen Einfluss auf die kapazitiven C und induktiven L Anteile im Ersatzschaltbild des Halbleiterbauelementes, wie es beispielhaft in für eine Solarzelle wiedergegeben ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber dem Ersten durch Kurzschließen der beiden Anschlüsse und Messen des Impedanzspektrums gegenüber Masse ( ), mit dem Wechselspannungsgenerator 211, der Anschlüsse 212 und 213. Es ergibt sich beispielhaft das Spektrum nach , wobei die Veränderung durch die kapazitiven Ableitströme und die in diesem Pfad enthaltenden Induktivitäten vorrangig bestimmt werden. Dies gilt insbesondere für den Einfluss leitfähiger Schichten 214 auf den Einkapselungsmaterialien, die durch äußere Einflüsse in Wechselwirkung mit den Materialien des Halbleiterbauelementes entstanden sein können.
In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Zusammenschaltung von Halbleiterbauelementen entsprechend vorgeschlagen, die aus serien- und/oder parallelgeschalteten Halbleiterbauelementen besteht und, entsprechend den Anwendungsbeispielen 1a und 2a in ihren Anschlüssen getrennt, oder kurzgeschlossen gegen Masse mit einer Wechselspannung variabler Frequenz beaufschlagt wird, wobei die zugehörigen Impedanzspektren gemessen werden. Der Einfluss für die möglichen Veränderungen im Impedanzspektrum können in diesem Anwendungsfall zusätzlich durch die Verschaltungsmaterialien und -kontakte, die zur Serien- und/oder Parallelschaltung eingesetzt werden, verursacht sein.
Eine Ausführungsform zur Vorrichtung besteht prinzipiell aus einem Wechselspannungsgenerator, der die Halbleiterbauelemente mit einer Wechselspannung variabler Frequenz beaufschlagt und einem geeigneten Impedanzmessgerät, sowie einem geeigneten Messmittel zu Bestimmung von auftretenden Phasenverschiebungen sowie einer Auswertelogik, die in der Lage ist die auftretenden Veränderungen im Impedanzspektrum quantitativ zu erfassen. Die auf diese Weise festgestellten Veränderungen der Frequenzlage von ausgewählten Impedanzmaxima und/oder -minima, sowie deren Phasenlage werden durch die Auswertelogik zu als Indikator dienenden geeigneten Signalen verarbeitet, die eine ursachengerechte Visualisierung der Veränderungen ermöglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006052295 B [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standards IEC 61215 [0004]
IEC 61646 [0004]
ICE 62108 [0004]

Claims

Verfahren zur materialspezifischen Charakterisierung zumindest eines Halbleiterbauelements, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement durch eine Wechselspannung über einen weiten Frequenzbereich angeregt wird die Impedanz des Halbleiterbauelements als Funktion des Frequenzgangs gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Impedanz als Funktion einer zwischen Plus- und Minuspol angelegten Wechselspannung in einem weiten Frequenzbereich gemessen wird und das charakteristische Antwortprofil mit seiner Signatur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Impedanz als Funktion einer zwischen kurzgeschlossenem Plus- und Minuspol und Masse angelegten Wechselspannung in einem weiten Frequenzbereich gemessen wird und das charakteristische Antwortprofil mit seiner Signatur bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Antwortprofil der Impedanz als Funktion des Designs, d. h. seiner Geometrie und seiner materialspezifischen Zusammensetzung, von Halbleiterbauelementen bestimmt ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Antwortprofil der Impedanz zur Charakterisierung des Alterungsverhalten von Halbleiterbauelementen im Vergleich zu ihrem Ausgangszustandes bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Impedanz als Funktion von Temperatur und Temperaturwechseln, der Feuchte und ihren Konzentrationsänderungen sowie der Konzentration von chemischen Spalt- und Nebenprodukten in den Halbleiterbauelementen bestimmt und zur Charakterisierung der Qualität, von Funktions- und/oder Herstellungsfehlern und des Zustandes der Halbleiterbauelemente in Folge von Alterungserscheinungen verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderungen im Verlauf der Impedanz durch Einwirkungen von Temperatur, der Feuchte, der Konzentration von chemischen Spalt- und Nebenprodukten, wie sie im Feld durch klimatische Einflüsse entstehen können, bestimmt und spezifischen Veränderungen wie z. B. des elektrischen Widerstandes, der Kapazität und Induktivität in den Halbleiterbauelementen und ihrer Verschaltung, der Höhe der Leckströme in den Halbleiterbauelementen und/oder ihren Verschaltungen zugeordnet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Impedanz der Halbleiterbauelemente zur Charakterisierung von entstehenden Veränderungen und zur frühen Erkennung von Fehlfunktionen wie Korrosions- und Kontaktproblemen, Delaminationen und damit einem nachhaltigen Nachlassen der Leistungsfähigkeit dient.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung des Antwortsignals relativ zum Ausgangssignal festgestellt und als Signal für kapazitive bzw. induktive Änderungen in Halbleiterbauelementen verwendet und mit diesen korreliert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselspannungsgenerator, ein Impedanzmeßgerät, ein Gerät zur Erfassung auftretender Phasenverschiebungen, eine Auswertelogik zur Berechnung einer Meßgröße als Indikator für die stattgefundenen Veränderungen zusammengeschaltet und mit einer geeigneten Ausgabeeinheit verbunden sind.