JP2014048223A - Semiconductor element testing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子試験装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor element testing apparatus.
近年,大電流,高速スイッチングの用途において、パワーMOS FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)(以下、「FET」と略す。)等の半導体素子が広く利用されるようになった。特に、入力部がMOS構造で出力部がバイポーラ構造のパワー用トランジスタである、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)は、電気自動車(EV)やハイブリッド自動車(HEV)での利用が進んでいる。 In recent years, semiconductor devices such as a power MOS FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) (hereinafter abbreviated as “FET”) have been widely used for high current and high-speed switching applications. In particular, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), which is a power transistor having a MOS structure in the input portion and a bipolar structure in the output portion, is increasingly used in an electric vehicle (EV) and a hybrid vehicle (HEV).
FET等の半導体素子の耐電圧性能の一つとしてアバランシェ耐量があり、このアバランシェ耐量を保証する試験として、アバランシェ破壊試験が実施される場合がある。アバランシェ破壊試験では、被測定半導体素子にコイルに蓄積されたエネルギーを加えて、アバランシェ破壊の有無を検査することによりアバランシェ耐量に関する性能を保証するものである。アバランシェ耐量の規定は,半導体素子の動作オフ時に生じるサージ電圧が,FETの耐圧定格を超えた場合であっても、所定の条件まではFETが安全動作できることを保証するものである。 One of the withstand voltage performances of semiconductor elements such as FETs is avalanche resistance, and an avalanche breakdown test may be performed as a test for guaranteeing this avalanche resistance. In the avalanche breakdown test, the energy stored in the coil is added to the semiconductor element to be measured, and the presence or absence of avalanche breakdown is inspected to guarantee the performance related to the avalanche resistance. The avalanche withstand capability guarantees that the FET can operate safely up to a predetermined condition even when the surge voltage generated when the semiconductor element is turned off exceeds the withstand voltage rating of the FET.
アバランシェ破壊試験において、FET等の測定対象の半導体素子には、電源電圧やコイル容量(電気エネルギー蓄積量)の大きさによって決まる測定電流が流れる。 In the avalanche breakdown test, a measurement current determined by the magnitude of the power supply voltage and the coil capacitance (electric energy storage amount) flows through a semiconductor element to be measured such as an FET.
しかし、アバランシェ破壊後に測定対象の半導体素子に必要以上の電流を流すと、発熱によってFET素子が焼損し、破壊箇所解析に支障を生じたり、素子の割れによる搬送不良が生じたり、または素子に接触している針電極の破損等により試験装置を損傷したりする場合があった。 However, if more current than necessary is applied to the semiconductor element to be measured after avalanche breakdown, the FET element will burn out due to heat generation, causing trouble in the analysis of the breakdown location, causing poor transport due to cracking of the element, or contacting the element In some cases, the test apparatus was damaged due to breakage of the needle electrode.
この問題を解決するために、例えば、特許文献1(特開2007−33042号公報)、又は特許文献2(特開2009−145302号公報)には、被測定素子の焼損を防ぐために、アバランシェ状態を検出して、その検出結果に基づき、被測定素子に流入する電流を遮断する半導体素子試験装置が開示されている。 In order to solve this problem, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-33042) or Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-145302) describes an avalanche state in order to prevent burning of the element to be measured. And a semiconductor element testing apparatus that interrupts the current flowing into the element to be measured based on the detection result.
しかし、特許文献1及び2に記載された従来の半導体素子試験装置では、アバランシェ破壊時の電流が大きい場合には、アバランシェ状態を検出してから電流を遮断するまでの間に被検出素子に必要以上の電流が流れてしまい保護が不十分となってしまうことがあった。
However, in the conventional semiconductor element test apparatus described in
そこで、本発明は、上記半導体素子試験装置における問題点に鑑みてなされたものであり、アバランシェ破壊試験時に過電流によってFETが焼損することを防止する半導体試験装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the problems in the above-described semiconductor element test apparatus, and an object thereof is to provide a semiconductor test apparatus that prevents the FET from being burned by an overcurrent during an avalanche breakdown test.
上記課題に鑑み、本発明における半導体試験装置は、コイルと、前記コイルを介して半導体素子に電圧を印加する電源と、前記半導体素子に流れる電流量を測定し測定結果を出力する電流センサと、前記半導体素子への電圧印加を遮断する遮断手段と、前記半導体素子をターンオン及びターンオフさせる駆動部と、前記電流センサからの測定結果の出力に対応して、遅延時間を設定する遅延時間設定部と、を備え、前記駆動部は、前記電流センサからの測定結果の出力に対応して前記半導体素子をターンオフさせるとともに、前記遮断手段は、前記遅延時間設定部で設定された遅延時間にて前記半導体素子への電圧印加を遮断する。 In view of the above problems, a semiconductor test apparatus according to the present invention includes a coil, a power source that applies a voltage to the semiconductor element via the coil, a current sensor that measures the amount of current flowing through the semiconductor element and outputs a measurement result, A blocking means for blocking voltage application to the semiconductor element; a drive unit for turning on and off the semiconductor element; and a delay time setting unit for setting a delay time corresponding to the output of the measurement result from the current sensor; And the drive unit turns off the semiconductor element in response to an output of a measurement result from the current sensor, and the blocking unit is configured to delay the semiconductor at a delay time set by the delay time setting unit. Blocks voltage application to the element.
本発明の実施形態によれば、アバランシェ破壊試験時に過電流によって半導体素子が焼損することを防止する半導体素子試験装置を提供することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor element testing apparatus that prevents a semiconductor element from being burned out by an overcurrent during an avalanche breakdown test.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、半導体素子試験装置100の概略構成図の一例である。本装置はアバランシェ破壊試験のための電気回路を有している。以下、この電気回路について説明する。
FIG. 1 is an example of a schematic configuration diagram of a semiconductor
本装置で検査対象となる半導体素子は、半導体素子10である。本装置で試験される半導体素子10は、駆動信号に従ってオン/オフ動作を行うスイッチング素子であって、アバランシェ破壊試験の検査対象としてアバランシェ状態となる素子であればその種類は限定されない。例えば、IGBT、パワーMOSFET、ダイオードなどの半導体から構成される電圧駆動型のパワー半導体などがある。図1では、その一例として、コレクタ(C)、エミッタ(E)、ゲート(G)の3端子を有するNチャンネルIGBTを図示している。
The semiconductor element to be inspected by this apparatus is the
図1において、半導体素子試験装置100は、リレー1、2及び3、駆動部11、電源12、ダイオード13、16及び19、コイル14、抵抗15及び18、コンデンサ17、電流センサ20、放電回路30、及びDelay40を備える。
In FIG. 1, a semiconductor
電源12は、コイル14(例えば、30μHのコイル)を介して半導体素子10のコレクタ−エミッタ間(CE間)に電源電圧(例えば、650V)を印加する電源装置である。電源12の正極と負極間にはコンデンサ17が設けられている。両極間にコンデンサ17を設けることによって、電源電圧の平滑化が可能となる。また、電源12の両極間に(すわなち、コンデンサ17に並列に)、電源12の正極側をアノードとするダイオード19と抵抗18とを直列接続した電荷消費回路を設けている。この電荷消費回路を設けることによって、コンデンサ17の過充電を防ぐことができる。
The
逆流防止用のダイオード16と電力消費用の抵抗15とを直列に接続された放電回路30が、コイル14に並列に設けられている。放電回路30を設けることによって、コイル14に蓄積されたエネルギーを放電して、半導体素子10に過電流が流れることを防止することができる。
A
リレー1は、電源12による半導体素子10への電圧印加を遮断する遮断手段である。リレー1は、電源12の正極とコイル14との間の通電を遮断可能なように設けられる。リレー1とコイル14との間の中間点にカソードが接続され電源12の負極側にアノードが接続されたダイオード13が備えられる。ダイオード13は、リレー1によって電源12による半導体素子10への電圧印加が遮断されると、ダイオード13を介してコイル14及び半導体素子10にコイル14に蓄えられたエネルギーによって貫流電流が流れる。
The relay 1 is a blocking unit that blocks voltage application to the
リレー2は、コイル14の両端を放電回路30で短絡する短絡手段である。リレー2のオンによって、コイル14の両端は放電回路30によって短絡される。リレー2はDelay40からの指示入力によりオン/オフが行われる。
The
リレー3は、半導体素子10のCE間に流れる電流を遮断する遮断手段である。リレー3は、例えば、コイル14と半導体素子10のコレクタとの間の通電を遮断するように設けられる。リレー3も、リレー2と同様にDelay40からの指示入力によりオン/オフが行われる。
The relay 3 is a blocking unit that blocks current flowing between the CEs of the
なお、リレー1,2,3は、IGBTやパワーMOSFET等の半導体スイッチング素子やスイッチなどの他の遮断手段に置き換えてもよい。
The
駆動部11は、スイッチングための駆動信号を半導体素子10のゲートに出力する。駆動部11が出力する駆動信号は、Hi/Loのパルス状信号を用いる。駆動部11には、例えば、出力周波数や出力電圧が可変なパルスジェネレータが用いられるが、この実施の形態においては、少なくともHi/Loの出力ができれば良い。半導体素子10は、駆動部11から出力されるパルス信号のレベルがLoレベルからHiレベルに切り替わることによってターンオンし、HiレベルからLoレベルに切り替わることによってターンオフする。また、駆動部11は、半導体素子10のCE間電流の電流状態やCE間電圧の電圧状態に基づいて、リレー1をオン/オフさせるためのリレー作動信号をリレー1に対して出力する。なお、駆動部11は、マイクロコンピュータ等の制御部が含まれてよい。当該制御部は、例えば、半導体素子10のCE間電流の電流状態やCE間電圧の電圧状態や不図示の他の入力装置からの入力信号(例えば、ユーザからの操作信号)に基づいて、半導体素子10の駆動信号やリレー作動信号の出力を指令する出力指令信号を駆動部11に対して出力するようにしてもよい。
The
電流センサ20は、半導体素子10のCE間に流れるCE間電流を検出する。電流センサ20は、検出した電流値が所定の基準値以上の場合に検出信号を出力する。この基準値は、検査対象の半導体素子に対してアバランシェ耐量を試験するために十分な電流量であることを確認している。電流センサ20は、この基準値を検査対象の半導体素子に対応して予め設定できるようにしておくことも可能である。電流センサ20は、この基準値以上の電流を検出した場合には、検出信号を駆動部11及びDelay40に出力する。なお、電流センサ20は電流値を測定するのみとして、基準値の設定は駆動部11によって行うようにしても良い。
The
Delay40は、電流センサ20からの検出信号に対する遅延時間を設定する遅延時間設定部である。ここで、遅延時間とは、電流センサ20からの検出信号に対するON−OFFディレイ時間である。Delay40は、電流センサ20が基準値以上の電流値を検出して、リレー2及びリレー3をON−OFFオフさせる制御信号の出力を行う。Delay40は、内部に遅延時間の設定機能を有し、検出信号入力からリレー2に制御信号を出力するまでの遅延時間Ta及び、検出信号入力からリレー3に制御信号を出力するまでの遅延時間Tbをそれぞれ設定可能である。遅延時間Ta及びTbの設定は、駆動部11により半導体素子10のゲートがターンオフしてから、アバランシェ耐量を保証するのに必要な時間で設定することができる。TaやTbが短いと、半導体素子10のCE間に図1で説明したコイル14の蓄積エネルギーによる加圧が十分行えず、半導体素子10に対するアバランシェ試験の負荷が不十分となってしまう一方、TaやTbが長いと、幅ランシェ破壊後に半導体素子10に必要以上の電流が貫流してしまうので半導体素子10の損傷を起こしてしまう。したがってTa及びTbを検査対象となる半導体素子10の規格等に合わせて個別に設定できることにより、半導体素子に最適な遅延時間の設定が可能となる。
Delay 40 is a delay time setting unit that sets a delay time for the detection signal from the
次に、図1で示された試験装置の動作について図2,3に従って説明する。図2は、図1に示される半導体素子試験装置の動作を説明するフローチャートである。図3は、図1に示される半導体素子試験装置の動作を説明するタイムチャートである。 Next, the operation of the test apparatus shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the semiconductor element testing apparatus shown in FIG. FIG. 3 is a time chart for explaining the operation of the semiconductor element testing apparatus shown in FIG.
図2において、アバランシェ破壊試験の最初のステップとして、駆動部11がリレー1をオンするとともに、Delay40は、リレー2をオフ、リレー3をオンにする(S10)。ステップ10の段階では、半導体素子10はオンしていないため、CE間にコイル14を介して電源12の電源電圧が印加されているだけでCE間電流は流れていない。したがって、コンデンサ17には電源12と抵抗18によって生じる電圧に応じたエネルギーが蓄積される。
In FIG. 2, as the first step of the avalanche destructive test, the
時刻t0において、駆動部11は、駆動信号のレベルをLoレベルからHiレベルに切り替えることにより、半導体素子10をターンオンさせる(ステップ20)。半導体素子10のターンオンによって、CE間電圧がほぼ0Vになるとともに、コイル14に相当するリアクタンスに応じてCE間に電流が流れ始める。
At time t0, the
電流センサ20は、CE間電流を測定し測定結果を出力する。その電流値が基準電流値以上になったか否かを判定する(S30)。この判定は、電流センサ20で行っても良いし、駆動部11によって行っても良い。
The
時刻t1において、駆動部11は、基準電流値以上の電流値が電流センサ20にて検出されたときに(S30でYes)、リレー1をオフさせるためのオフ作動信号を出力する(S40)。リレー1のオフ動作によって、電源12と半導体素子10とが切り離され、ダイオード13を介してコイル14に電流が貫流する。
At time t1, when a current value equal to or higher than the reference current value is detected by the current sensor 20 (Yes in S30), the
時刻t2において、駆動部11はさらに、半導体素子10をオフさせるためのオフ駆動信号を出力する(S40)。半導体素子10のターンオフによって、コイル14に蓄積されたインダクタンスエネルギーによりCE間電圧が上昇し、半導体素子10はアバランシェモードに入る。CE間電圧の電圧監視は図示しないコンパレータ等を用いる。
At time t2, the
なお、本実施の形態においては、駆動部11は、リレー1をオフさせてから(t1)、半導体素子10をターンオフさせているが(t2)、t1からt2の間隔が長いと、電源12の切り離しに伴い、半導体素子10がターンオフする前にCE間の電圧が低下してしまうため、t1とt2はほぼ同時であっても良い。このタイミングは、半導体素子10のターンオフ動作時間を考慮し、適宜選択される。
In the present embodiment, the
Delay40は、基準電流値以上の電流値が電流センサ20にて検出されて、設定された遅延時間が経過したか否かを判断する(S50)。Delay40において設定される遅延時間は、前述のとおり、リレー2に制御信号を出力するまでの遅延時間Ta及び、リレー3に制御信号を出力するまでの遅延時間Tbである。図2で示すフローチャートにおいては、二つの遅延時間に関する記載を省略している。
t3において、遅延時間Taが経過した場合(S50でYes)、Delay40はリレー2をオンにする(S60)。リレー2のオン動作によって、コイル14のエネルギーは抵抗15によって消費する回路が形成される。
If the delay time Ta has elapsed at t3 (Yes in S50), the
t4において、遅延時間Tbが経過した場合(S50でYes)、Delay40はリレー3をオフにする(S60)。リレー3のオン動作によって、コイルCE間電流が遮断され、半導体素子10がアバランシェ崩壊した場合でも、電流量を抑えて半導体素子の損傷を防止することができる。
When the delay time Tb has elapsed at t4 (Yes in S50), the
次に、遅延時間Ta及びTbの設定について説明する。 Next, setting of the delay times Ta and Tb will be described.
半導体素子10が所定のアバランシェ耐量を有さずに、アバランシェ破壊を起こすと、故障によりCE間がショートするので、図4のt4において、CE間電圧は約0Vになる。この電圧降下によって、半導体素子試験装置100は、半導体素子10がアバランシェ破壊を起こしたことを検知できる。
When the
一方、半導体素子10が所定のアバランシェ耐量を有して、アバランシェ破壊が起きなかった場合は、CE間電流は、図4の点線で示すように徐々に減少していくため、CE間の電圧が0Vとなるのは、t4よりさらに遅くなる。
On the other hand, when the
したがって、半導体素子10がアバランシェ破壊を起こした場合であってもその損傷を小さくするためには、Ta及びTbの遅延時間の設定を、半導体素子10がアバランシェ破壊するタイミングであるt4より僅かに遅く設定するのが良い。本実施の形態における半導体素子試験装置100においては、半導体素子10の仕様などにより適宜遅延時間が設定できるので、半導体素子10がアバランシェ破壊した場合であっても半導体素子10の損傷を防ぎ、また半導体素子試験装置100の損傷を防ぐことができる。また、Ta及びTbの設定は、アバランシェ破壊しない場合の正常品におけるCE間の電圧が0Vとなるまでの時間よりも早く設定することが望ましい。
Therefore, in order to reduce the damage even when the
t5において、抵抗15によるコイル14に蓄えられたエネルギーの消費が完了する。
At t5, the consumption of energy stored in the
以上説明したとおり、本実施の形態において、素子破壊から電流遮断までの間に半導体素子10の破壊箇所に流れ込む電流を抑えることができる。
As described above, in the present embodiment, it is possible to suppress the current flowing into the breakdown portion of the
以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was explained in full detail, this invention is not limited to such specific embodiment, In the range of the summary of this invention described in the claim, Various modifications and changes are possible.
1、2、3 リレー
10 半導体素子
11 駆動部
12 電源
13、16、19 ダイオード
14 コイル
15、18 抵抗
17 コンデンサ
20 電流センサ
30 放電回路
100 半導体素子試験装置
1, 2, 3
Claims (1)
前記コイルを介して半導体素子に電圧を印加する電源と、
前記半導体素子に流れる電流量を測定し測定結果を出力する電流センサと、
前記半導体素子への電圧印加を遮断する遮断手段と、
前記半導体素子をターンオン及びターンオフさせる駆動部と、
前記電流センサからの測定結果の出力に対応して、遅延時間を設定する遅延時間設定部と、を備え、
前記駆動部は、前記電流センサからの測定結果の出力に対応して前記半導体素子をターンオフさせるとともに、
前記遮断手段は、前記遅延時間設定部で設定された遅延時間にて前記半導体素子への電圧印加を遮断する、半導体素子の試験装置。 Coils,
A power source for applying a voltage to the semiconductor element via the coil;
A current sensor that measures the amount of current flowing through the semiconductor element and outputs a measurement result; and
Blocking means for blocking voltage application to the semiconductor element;
A driving unit for turning on and off the semiconductor element;
A delay time setting unit for setting a delay time corresponding to the output of the measurement result from the current sensor,
The drive unit turns off the semiconductor element corresponding to the output of the measurement result from the current sensor,
The semiconductor device testing apparatus, wherein the blocking means blocks voltage application to the semiconductor device for a delay time set by the delay time setting unit.
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