KR101058095B1 - 반도체소자의 성능 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 수명과 밀접한 관련을 가지는 누설전류를 보다 정확히 측정하여 사용시간에 따른 소자 특성 변화 및 수명과의 관계를 확인하는데 용이한 것으로, 측정대상인 전력반도체소자를 로드하면서 로드된 전력반도체소자를 정해진 온도로 가열하기 위한 가열수단을 구비하는 로더(Loader)와, 로더의 양단에 연결되며 상기 가열수단에 의해 가열된 상기 전력반도체소자의 온도에 기준하여 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 측정하는 N개 측정 모듈과, 가열수단에 의해 가열되는 온도의 변화에 따라 N개 측정 모듈에 의해 측정된 전압 대비 전류를 지속적으로 수신하여 누적하고, 그 누적된 최종 데이터를 출력하는 메인 프로세서 모듈와, 메인 프로세서 모듈로부터 수신한 최종 데이터를 이용하여 전력반도체소자의 온도 변화에 따라 측정된 전력반도체소자의 전압-전류 특성 그래프를 생성하고 표시하는 데이터출력장치를 포함하는 시스템, 그리고 그 시스템을 이용하여 반도체소자의 성능을 측정하는 방법에 관한 발명이다.

전력반도체소자, IGBT, SCR(silicon controlled rectifier) 모듈, IPM(Intelligent Power Module), GTO(Gate Turn-Off thyristor), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor), DIODE, MOSFET, 성능 측정

Description

반도체소자의 성능 측정 시스템 및 방법{System and method for measuring efficiency in semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 수명 예측에 관한 것으로써, 특히 반도체 소자의 수명과 밀접한 관련을 가지는 누설전류를 보다 정확히 측정하여 사용시간에 따른 소자 특성 변화 및 수명과의 관계를 확인하는데 용이한 반도체소자의 성능 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전력 변환 회로의 반도체 소자는 실리콘이나 실리콘 탄화물로 만들어진다. 실리콘 탄화물로 만들어진 소자들은 현재 개발 중에 있으며, 아직은 대부분 실리콘으로 만들어진다.

이들 소자들은 크게 세 종류로 나누어지는데, 전력용 다이오드, 트랜지스터, 그리고 사이리스터가 있다.

전력용 다이오드의 하나인 쇼트키 다이오드는 낮은 온-상태 전압을 가지며, 전형적으로 [ns]단위의 매우 짧은 회복시간을 갖는다. 또한 쇼트키 다이오드에서 누설전류는 정격전압과 더불어 증가하며, 정격은 100[V], 300[A]까지로 제한된다.

전력반도체소자로써 고속 스위칭이 가능한 자기 소호형 반도체 스위칭 소 자(MOSFET, IGBT 등)인 경우에는, 수십[kHz]에서 수백[kHz] 대의 주파수를 중심으로 전력 변환과 제어에 응용되고 있다. 특히, 전력응용 공학 기술 분야에서 주목 받고 있다.

전력 변환 회로에 사용되는 스위칭 소자는 고내압 대전류이면서 저손실 고속 스위칭 특성이 요구된다. 이러한 특성을 만족시키기 위해서는 소자 자체의 스위칭 주파수 특성이 고속이어야 한다.

실용화된 전력반도체소자 중에 BJT와 MOSFET의 가장 뛰어난 특성을 결합함으로써 대전류 고전압에 유리하다고 알려진 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 경우, 스위칭 주파수가 수십[kHz]이며 구동회로가 간단하고 고속 스위칭이 가능한 장점이 있다.

전력반도체소자로서 IGBT 모듈이 최근 점점 각광받음으로써, 기관차, 승강기, 케이블카, 지하철 같은 운반 장비에 응용되어 널리 이용되고 있다. 그러나 응용되는 장비 운용상의 전력반도체소자에 대한 수명 예측에 애로가 많다. 즉, 여러 조건에 대비하여 가능한 사용시간 등이 기재 되어 있지 않아 IGBT 모듈의 장래로 인한 운용 상 애로가 많이 발생하고 있는 현실이다.

더군다나 전력반도체소자의 제조업체에서는 지금까지 IGBT 모듈의 신뢰성에 대한 완성된 연구 결과가 없는 게 현실이며, 그로 인해 제조업체의 신뢰성 시험을 기피하고 있으며 그 때문에 장비를 운용하는 현장에서는 장기간 사용 시 IGBT 모듈 의 장애가 전체적인 장비 손상을 야기하여 장비의 운용 및 유지보수에 지장을 초래하고 있다.

결국 IGBT와 같은 전력반도체 소자의 수명 예측에 필요한 사용시간에 따른 소자 특성 변화 및 각 조건에 따른 소자 특성 변화에 대한 측정이 요구되고 있는 실정이며, 그러한 측정을 통해 전반적인 소자의 성능 특히, 수명을 예측할 수 있는 수단이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 전력반도체소자를 포함하는 다양한 반도체 소자에 대해 온도 변화에 따라 변화하는 전압-전류 특성을 측정하여 전력반도체소자의 수명을 예측하는데 용이하게 해주는 반도체소자의 성능 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 전력반도체소자의 온도 변화에 따른 인가전압 대비 누설전류 량을 측정하여 전력반도체소자의 수명을 예측하는데 용이하게 해주는 반도체소자의 성능 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 전력반도체소자에 대해 인가전압의 변화에 따른 누설전류 량의 변화를 측정하여 전력반도체소자의 수명을 예측하는데 용이하게 해주는 반도체소자의 성능 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 미사용 전력반도체소자에 대해 인가전압의 변화에 따른 누설전류 량의 변화를 측정하면서 또한 사용된 전력반도체소자에 대해 인가전압의 변화에 따른 누설전류 량의 변화를 측정하여 전력반도체소자의 사용시간에 따른 수명을 예측하는데 용이하게 해주는 반도체소자의 성능 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자의 성능 측정 시스템의 특징은, 측정대상인 전력반도체소자를 로드하며 상기 로드된 전력반도체소자를 정해진 온도로 가열하기 위한 가열수단을 구비하는 로더(Loader)와, 상기 로더의 양단에 연결되며 상기 가열수단에 의해 가열된 상기 전력반도체소자의 온도에 기준하여 상기 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 측정하는 N개 측정 모듈과, 상기 가열수단에 의해 가열되는 온도의 변화에 따라 상기 N개 측정 모듈에 의해 측정된 상기 전압 대비 전류를 지속적으로 수신하여 누적하고, 그 누적된 최종 데이터를 출력하는 메인 프로세서 모듈과, 상기 메인 프로세서 모듈로부터 수신한 상기 최종 데이터를 이용하여, 상기 전력반도체소자의 온도 변화에 따라 측정된 상기 전력반도체소자의 전압-전류 특성 그래프를 생성하고 표시하는 데이터출력장치를 포함하여 구성되는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자의 성능 측정 방법의 특징은, 측정대상인 전력반도체소자를 로드하는 단계와, 상기 로드된 전력반도체소자를 정해진 온도로 가열하는 단계와, 상기 전력반도체소자의 양단에 상기 가열된 온도에 기준한 기저전압에서 임계전압까지의 전압과 그에 상응하는 전류를 인가하는 단계와, 상기 인가된 전압 및 전류로부터 상기 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 측정하는 단계와, 상기 가열되는 온도의 변화에 따라 측정되는 전압 대비 전류를 지속적으로 누적하는 단계와, 상기 누적된 데이터를 이용하여, 상기 전력반도체소자의 수명을 예측하기 위해, 상기 전력반도체소자의 온도 변화에 따른 전압-전류 특성을 출력하는 단계로 이루어지는 것이다.

본 발명에 따르면, IGBT, SCR(silicon controlled rectifier) 모듈, IPM(Intelligent Power Module), GTO(Gate Turn-Off thyristor), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor), DIODE, MOSFET 등을 포함하여 여러 전력반도체소자들에 대해 온도 변화에 따른 인가전압 대비 누설전류 량을 측정하여 출력해주기 때문에, 그 출력되는 자료로부터 손쉽게 전력반도체소자의 특성 변화를 관찰할 수 있고 결국 전력반도체소자의 수명을 예측할 수 있다.

이러한 소자의 수명 예측은 일정기간 사용된 전력반도체소자에 대해 적용이 용이하여, 그 사용된 소자의 교체 시기나 일반적인 소자 수명에 대한 분석 자료를 마련하는데 많은 도움을 준다.

또한, 본 발명에서는 소자에 대한 측정 조건으로써 소자 온도를 조절하기 위한 수단을 제공함으로써, 실제 소자가 동작하는 환경에서 측정이 이루어지는 효과를 발휘하므로 보다 정확한 인가전압 대비 누설전류 량을 측정할 수 있다. 이는 소자에 대한 보다 정확한 수명 예측을 가능하게 해주는 것이다.

또한, 본 발명에서는 소자의 전압특성을 고려하여 준비된 여러 측정 모듈 중 전부 또는 일부를 동작시킴으로써 즉, 기저전압에서부터 최고 임계전압까지 전압을 유연하게 가변하여 인가해줄 수 있기 때문에, 다양한 전력반도체소자에 대한 인가전압 대비 누설전류 량을 측정할 수 있게 해준다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체소자의 성능 측정 시스 템 및 방법의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체소자의 성능 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록다이어그램이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 시스템은 전력반도체소자의 특성을 측정하기 위한 구성요소들(1,10,20,30,40)를 포함하는 장치와, 그 측정된 특성을 그래프로 생성하여 출력하는 데이터출력장치(60)로 구성된다. 여기서, 데이터출력장치(60)의 예로는 개인용컴퓨터(Personal Computer)일 수 있다.

전력반도체소자의 특성을 측정하기 위한 장치는, 로더(Loader)(1)와 N개 측정 모듈(10,20,30,40)과 메인 프로세서 모듈(50)로 구성된다.

로더(Loader)(1)는 측정대상인 전력반도체소자를 로드하는 수단으로써, 로더(1)의 양단에 전력반도체소자의 입력단과 출력단을 연결하는 것이 바람직하다.

N개 측정 모듈(10~40)은 측정대상인 전력반도체소자처럼 로더(1)의 양단에 연결된다. 특히, N개 측정 모듈(10~40)은 상호 직렬 연결되며, 로더(1)에 로드된 전력반도체소자에 대해 특정 온도에 기준한 전압 대비 전류를 측정한다.

한편, 로더(1)는 측정대상인 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 측정할 시에 하나의 조건으로써 특정 온도를 제공하기 위한 가열수단(미도시)을 구비하는데, 그 가열수단은 측정대상인 전력반도체소자가 로드된 후에 측정 조건으로써 정해진 온도에 상응하는 환경을 제공한다. 예로써, 가열수단은 로더(1)에 로드된 전력반도체소자를 가열하여, N개 측정 모듈(10~40)이 가열된 온도에 기준하여 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 측정하도록, 온도 조건을 맞쳐준다.

본 발명에서는 전력반도체소자로써, IGBT, SCR(silicon controlled rectifier) 모듈, IPM(Intelligent Power Module), GTO(Gate Turn-Off thyristor), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor), DIODE, MOSFET 등을 측정 대상으로 하며, 그들의 가열된 온도에서 전압의 변화에 따른 누설전류의 변화 정도를 측정한다.

전력반도체소자 중 IGBT의 경우에는 게이트(Gate) 오프 시에 전압 변화에 따른 이미터(Emitter)와 콜렉터(collector) 간의 누설전류를 측정하는데, 특히 온도 변화에 따른 누설전류 량의 변화를 측정한다.

메인 프로세서 모듈(50)은 특정 온도로 가열된 전력반도체소자를 대상으로 N개 측정 모듈(10~40)에 의해 측정된 전압 대비 전류를 지속적으로 수신하고 누적한다. 이어, 그 누적된 최종 데이터를 범용직렬버스(USB:Universal Serial Bus)를 통해 연결된 데이터출력장치(60)로 출력한다.

데이터출력장치(60)는 USB를 통해 메인 프로세서 모듈(50)로부터 전압 대비 전류를 지속적으로 수신하며, 그 수신한 최종 데이터 즉, 특정 온도에 기준한 전압별 누설전류 변화량을 이용하여 전압-전류 특성 그래프를 생성하고 표시한다. 특히, 데이터출력장치(60)는 개인용컴퓨터(Personal Computer)일 수 있는데, 데이터출력장치(60)로는 개인용 이동통신단말기(Mobile Communication Phone)나 개인용 데이터보조기기(PDA) 일 수도 있다.

데이터출력장치(60)는 메인 프로세서 모듈(50)로부터 수신한 데이터 전압-전류 특성 그래프를 생성하기 위한 어플리케이션을 구비하며, 또한 그 어플리케이션 은 생성된 전압-전류 특성 그래프를 표시하기 위한 디스플레이 디바이스를 구비한다. 그러한 전압-전류 특성 그래프의 표시 예는 도 4 및 5에 도시한다.

상기에서 N개 측정 모듈(10~40)은 도 2에 예시된 바와 같이 제1 측정 모듈(10), 제2 측정 모듈(20), 제3 측정 모듈(30), 그리고 제4 측정 모듈(40)을 포함하여 4개로 구성되는 것이 바람직한다.

로더(1)의 양단을 제1단과 제2단으로 구분할 때, N개의 측정 모듈(10~40) 중 제1 측정 모듈(10)은 일단이 로더(1)의 양단 중 제1단에 연결되며, 순서상 마지막 측정 모듈인 제N 측정 모듈(40)의 일단이 로더(1)의 양단 중 제2단에 연결되는 것이 바람직하다. 그리고 제1 내지 N 측정 모듈(10~40)은 상호 직렬 연결되는 것이 바람직하다. 그리하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 상호 직렬 연결되는 제1 내지 N 측정 모듈(10~40)이 로더의 양단에 연결되면서 하나의 폐루프를 형성하는 것이 바람직하다.

상세하게는, 도 2의 경우와 같이, 4개의 측정 모듈(100~400)로 구성되는 경우에, 제1 측정 모듈(100)의 일단(+단)이 로더(1)의 양단 중 일단(+단)에 연결되고, 제1 측정 모듈(100)의 타단(-단)이 제2 측정 모듈(200)의 일단(+단)에 연결되고, 제2 측정 모듈(200)의 타단(-단)이 제3 측정 모듈(300)의 일단(+단)에 연결되고, 제3 측정 모듈(300)의 타단(-단)이 제4 측정 모듈(400)의 일단(+단)에 연결되고, 제4 측정 모듈(400)의 타단(-단)이 로더(1)의 양단 중 타단(-단)에 연결될 수 있다.

한편, N개 측정 모듈(10~40)은 각각 동일한 내부 구성을 가지는 아날로그 제 어기로써, 그 내부 구성은 제1 측정 모듈(10)에 대해 도시된 바와 같다.

제1 측정 모듈(10)은 변환부(11)와 전압제어부(12)와 센싱부(13)와 제1프로세서(14)로 구성된다.

변환부(11)는 공급전원(2)을 변환하여 공급전압을 출력한다.

전압제어부(12)는 변환부(11)에서 출력된 공급전압을 전압 제어에 따라 기저전압 (0볼트)에서 임계전압까지의 범위로 전압을 또한 그에 따른 전류를 로더(1)에 인가한다. 예로써, 전압제어부(12)는 기저전압 0볼트에서 임계전압 1000볼트까지의 범위로 전압을 또한 그에 따른 전류를 인가한다. 예로써, 도 2와 같이 4개의 측정 모듈(10~40)이 직렬 연결되는 구성의 경우에는 로더(1)의 양단에 총 기저전압 0볼트에서 4000볼트까지의 범위로 전압을 또한 그에 따른 전류 1mA를 인가할 수 있다.

센싱부(13)는 전압제어부(12)에서 인가된 전압 및 전류로부터 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 감지한다. 실제로 센싱부(13)는 전압제어부(12)에 의해 인가된 전압에서 측정대상인 전력반도체소자에 흐르는 누설전류를 측정한다. 따라서, 센싱부(13)는 전압의 변화에 따라 인가되는 전류 중 얼마만큼이 전력반도체소자(오프 상태)의 입력단에서 출력단으로 흐르는지를 감지한다.

제1프로세서(14)는 메인 프로세서 모듈(50)과 RS232 포트로 연결된다. 제1프로세서(14)는 RS232 포트를 통해 메인 프로세서 모듈(50)로부터 전압제어를 위한 제어명령을 수신하며, 또한 그 RS232 포트를 통해 메인 프로세서 모듈(50)로 센싱부(13)에서 감지된 전압 대비 전류를 지속적으로 전달한다.

제1프로세서(14)는 메인 프로세서 모듈(50)의 제어명령에 따라 전압제어 부(12)에 대한 전압 제어를 수행한다.

메인 프로세서 모듈(50)은 측정대상인 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압)에 따라 N개 측정 모듈(10~40) 중 적어도 하나에 대한 온/오프 동작 제어를 수행한다. 메인 프로세서 모듈(50)은 전력반도체소자의 인계동작전압(항복전압)에 따라 N개 측정 모듈(10~40)들을 순차적으로 온 동작시킨다. 즉, N개 측정 모듈(10~40)들은 각각 최고 1000볼트까지의 전압을 인가할 수 있으므로, 메인 프로세서 모듈(50)은 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압)이 1000볼트 미만이면 제1 측정 모듈(10)만 온 시키고, 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압)이 2000볼트 미만이면 제1 내지 2 측정 모듈(10~20)만 온 시키고, 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압)이 3000볼트 미만이면 제1 내지 3 측정 모듈(10~30)만 온 시키고, 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압)이 N*1000볼트 미만이면 제1 내지 N 측정 모듈(10~40)을 온시킨다.

예로써, 메인 프로세서 모듈(50)은 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압)이 1500볼트인 경우 제1 내지 2 측정 모듈(10~20)에만 전압제어를 위한 제어명령을 전달하여, 특정 온도로 가열된 전력반도체소자를 대상으로 제1 내지 2 측정 모듈(10~20)에 의해 측정된 전압 대비 전류를 지속적으로 수신하고 누적한다. 이때 메인 프로세서 모듈(50)은 제3 내지 N 측정 모듈(30~40)에는 전압제어를 위한 제어명령을 전달하지 않음으로써 그들 제3 내지 N 측정 모듈(30~40)의 동작을 오프시킨다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체소자의 성능 측정 시스템의 구성 중 측정 모듈의 내부 상세 구성을 나타낸 다이어그램으로, 4개의 측정 모듈로 구성되는 경우의 예를 든 것이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체소자의 성능 측정 절차를 나타낸 다이어그램이다.

도 2를 참조하면, 4개 측정 모듈(100~400)은 측정대상인 전력반도체소자처럼 로더(1)의 양단에 연결된다. 특히, 4개 측정 모듈(100~400)은 상호 직렬 연결되며, 로더(1)에 로드된 전력반도체소자에 대해 특정 온도에 기준한 전압 대비 전류를 측정한다.

4개의 측정 모듈(100~400)은 각각 동일한 구성 요소를 가지며, 그 구성 요소는 변환부(110)와 전압제어부(120)와 센싱부(130)와 제1프로세서(140)를 포함한다.

변환부(110)는 공급전원을 변환하여 공급전압을 출력하는데, 본 발명에서는 공급전원으로써 고주파 전압을 사용한다. 예로써, 20kHz의 300볼트를 공급전원으로 사용한다. 변환부(110)는 공급전원을 승압 변환하여 1500볼트의 공급전압을 출력한다.

전압제어부(120)는 변환부(110)에서 출력된 1500볼트의 공급전압을 전압 제어에 따라 기저전압 (0볼트)에서 임계전압 1000볼트까지의 범위로 전압을 또한 그에 따른 전류를 로더(1)에 인가한다. 전압제어부(120)의 출력 전압은 제1 프로세서(140)의 제어에 따르며, 제1 프로세서(140)는 메인 프로세서 모듈(500)의 제어명령에 따라 전압제어부(120)에 대한 전압 제어를 수행한다.

결국, 메인 프로세서 모듈(500)이 4개의 측정 모듈(100~400) 모두에 전압제어를 위한 제어명령을 전달하는 경우, 로더(1)의 양단에 총 기저전압 0볼트에서 4000볼트까지의 범위로 전압을 또한 그에 따른 전류 1mA를 인가할 수 있다.

센싱부(130)는 전압제어부(120)에서 인가된 전압 및 전류로부터 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 감지한다. 전술했듯이, 실제로 센싱부(130)는 전압제어부(120)에 의해 인가된 전압에서 측정대상인 전력반도체소자에 흐르는 누설전류를 측정하고, 그에 따른 전압(V)과 누설전류(I)를 제1프로세서(140)에 출력한다. 이는, 센싱부(130)가 전압의 변화에 따라 인가되는 전류 중 얼마만큼이 전력반도체소자(오프 상태)의 입력단에서 출력단으로 흐르는지를 감지하여 제1프로세서(140)에 출력한다는 것을 의미한다.

제1프로세서(140)는 RS232 포트를 통해 메인 프로세서 모듈(500)로부터 전압제어를 위한 제어명령을 수신하며, 또한 제1프로세서(140)는 그 RS232 포트를 통해 메인 프로세서 모듈(500)로 센싱부(130)에서 감지된 전압 대비 전류를 지속적으로 전달한다.

메인 프로세서 모듈(500)은 특정 온도로 가열된 전력반도체소자를 대상으로 4개 측정 모듈(100~400) 중 적어도 하나에 의해 측정된 전압 대비 전류를 지속적으로 수신하고 누적한다. 이어, 그 누적된 최종 데이터를 USB를 통해 연결된 데이터출력장치(600)로 출력한다.

데이터출력장치(600)는 USB를 통해 메인 프로세서 모듈(500)로부터 전압 대비 전류를 지속적으로 수신하며, 그 수신한 최종 데이터 즉, 특정 온도에 기준한 전압별 누설전류 변화량을 이용하여 전압-전류 특성 그래프를 생성하고 표시한다.

한편, 메인 프로세서 모듈(500)은 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압) 에 따라 상기 4개 측정 모듈(100~400) 중 적어도 하나에 대한 온/오프 동작 제어를 수행하는데, 이에 대해서는 이미 전술되었으므로 상세는 생략한다.

만약 측정 대상이 전력반도체소자 중 IGBT의 경우에는 게이트(Gate) 오프 시에 이미터(Emitter)와 콜렉터(collector) 간의 누설전류를 측정한다. 특히 IGBT를 미리 특정 온도로 가열한 후에 누설전류를 측정함으로써, 온도 변화에 따른 누설전류 량의 변화를 측정한다.

다음은 상기한 도 1 및 2의 구성에 기반하여 반도체소자의 성능 측정 절차를 도 3을 참조하여 설명한다.

먼저 측정대상인 전력반도체소자를 로더(1)에 로드함으로써, 로더(1)의 양단에 전력반도체소자의 입력단과 출력단을 연결한다(S10). 이때, 로더(1)에 전력반도체소자를 로드하기 이전 또는 이후에 그 전력반도체소자를 특정 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 예로써, 전력반도체소자를 25℃에서 50℃ 중 어느 하나의 수준의 온도로 가열할 수 있다.

이어, 전력반도체소자의 양단에 특정 온도(25 또는 50℃)에 기준한 기저전압에서 임계전압까지의 전압과 그에 상응하는 전류를 인가한다(S20). 즉, 4개 측정 모듈(100~400) 중 적어도 하나에 의해 특정 온도(25 또는 50℃)로 가열된 전력반도체소자의 양단에 기저전압 0볼트에서 최고 임계전압 4000볼트까지의 전압과 그에 상응하는 전류 1mA를 인가한다.

이어, 인가된 전압 및 전류로부터 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 지속적으로 측정한다(S30). 상세하게, 전류를 인가하는 전압의 변화에 따라 전력반도체 소자의 입력단과 출력단 사이에 흐르는 누설전류의 변화량을 측정한다. 이때, IGBT의 경우는 인가된 전압 및 전류로부터 그 IGBT의 턴오프 시 입력단(콜렉터)과 출력단(이미터) 간의 누설전류를 측정하는 것이 바람직하다.

그리고, 그 측정된 전압 대비 전류를 지속적으로 누적한다(S40). 메인 프로세서 모듈(500)은 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압)에 이를 때까지 인가 전압의 변화에 따른 누설전류의 측정 량을 누적하는 것이 바람직하다.

이어, 누적된 최종 데이터를 수신한 데이터출력장치(600)는 그 누적된 최종 데이터를 이용하여 측정대상인 전력반도체소자의 수명을 예측하기 위한 전압-전류 특성 자료를 생성하여 출력한다. 즉, 데이터출력장치(600)는 메인 프로세서 모듈(500)에서 누적된 최종 데이터를 수신한 후에, 그를 이용하여 전력반도체소자의 온도 변화에 따른 전압-전류 특성을 나타내는 그래프로 생성하고(S50), 그 그래프를 표시한다(S51).

상기한 본원의 시스템 및 방법에 따른 예를 아래와 같이 설명한다.

예로써, 일정 시간 사용된 500[A]급 IGBT를 측정 대상으로 할 때 또는 한번도 사용하지 않은 500[A]급 IGBT를 측정 대상으로 할 때, IGBT를 25℃로 가열한 후 전압 변화에 따른 누설전류 변화량을 측정하고 또한 IGBT를 50℃로 가열한 후 전압 변화에 따른 누설전류 변화량을 측정할 수 있다. 이러한 경우에, 오래 사용된 IGBT는 25℃에서는 안정된 누설전류 특성을 보이지만 50℃에서는 낮은 전압이 인가될 때부터 누설전류가 급격히 증가한다. 특히, 항복전압 근처에서 누설전류의 증가폭이 상승한다. 반면에 사용되지 않은 새 IGBT는 25℃에서나 50℃에서 모두 즉, 온도 에 상관없이 전압 변화에도 대체적으로 안정된 누설전류 특성을 보인다.

도 4 내지 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력반도체소자 중 IGBT를 특정 온도에 기준하여 전압 대비 전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프들로써, 도 4는 2년간 사용된 500[A]급 IGBT를 25℃와 50℃에서 각각 전압을 변화시켜가면서 측정되는 누설전류의 변화량을 나타낸 그래프이고, 도 5는 한번도 사용되지 않은 50[A]급 새 IGBT를 25℃와 50℃에서 각각 전압을 변화시켜가면서 측정되는 누설전류의 변화량을 나타낸 그래프이다.

도 4에서 보인 바와 같이, 측정 결과에서 오래 사용된 IGBT는 25℃에서는 전압 변화에도 안정된 누설전류 특성을 보이지만 50℃에서는 초기 전압부터 누설전류가 급격히 증가함을 보이고 있다.

또한 도 5에서 보인 바와 같이, 측정 결과에서 한번도 사용되지 않은 새 IGBT는 25℃에서나 50℃에서 전압 변화에도 대체적으로 안정된 누설전류 특성을 보인다.

이와 같이 본 발명의 시스템 및 방법을 이용하여 전력반도체소자의 특정 온도에 기준한 전압 대비 전류를 측정함으로써, 그 전력반도체소자의 수명을 예측할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명의 시스템 및 방법을 통해 전력반도체소자의 오프 상태에서 누설전류를 측정함으로써 전력반도체소자의 오류 또는 오작동의 원인이 되는 열적 캐리어 증식을 예상할 수 있으며, 그러한 예상을 바탕으로 소자의 수명 예측을 가능하게 해준다.

상기한 전력반도체소자의 수명 예측의 근거는, IGBT, DIODE, MOSFET 등은 소 자의 열화적인 캐리어의 에벌런치(Avalanche)에 매우 취약한데, 열적 캐리어 증식은 반도체 오염에 인한 것으로 소자 수명 말기에 소자 오류의 주 원인이라는 것이 잘 알려져 있다. 또한 열적 캐리어 증식은 소자의 온도와 소자의 오프 시 누설전류와 밀접한 관계가 있으며, 소자 내부 온도가 상승할 때만 발생한다. 또한 누설전류는 소자의 내부 온도 및 주입된 이온의 오염 정도에 따라 결정되는데 낮은 온도에서는 발생 량이 미흡하나 높은 온도에서는 소자의 사용시간에 따라 발생 량의 급격한 차이를 보인다. 따라서, 전력반도체소자의 온도에 기준한 전압 대비 누설전류의 변화량을 측정함으로써, 사용시간에 따른 특성 변화를 확인할 수 있기 때문이다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.

그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체소자의 성능 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록다이어그램.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체소자의 성능 측정 시스템의 구성 중 측정 모듈의 내부 상세 구성을 나타낸 다이어그램.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체소자의 성능 측정 절차를 나타낸 다이어그램.

도 4 내지 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력반도체소자 중 IGBT를 특정 온도에 기준하여 전압 대비 전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프들.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 로더(Loader) 2 : 공급전원

10, 100 : 제1 측정 모듈 11, 110 : 변환부

12, 120 : 전압제어부 13, 130 : 센싱부

14, 140 : 제1 프로세서 20, 200 : 제2 측정 모듈

30, 300 : 제3 측정 모듈 40 : 제N 측정 모듈

400 : 제4 측정 모듈 50, 500 : 메인 프로세서 모듈

60, 600 : 데이터출력장치

Claims (16)

1. 측정대상인 전력반도체소자를 로드하며, 상기 로드된 전력반도체소자를 정해진 온도로 가열하기 위한 가열수단을 구비하는 로더(Loader);

   상기 로더의 양단에 연결되며, 상기 가열수단에 의해 가열된 상기 전력반도체소자의 온도에 기준하여 상기 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 측정하는 N개 측정 모듈;

   상기 가열수단에 의해 가열되는 온도의 변화에 따라 상기 N개 측정 모듈에 의해 측정된 상기 전압 대비 전류를 지속적으로 수신하여 누적하고, 그 누적된 최종 데이터를 출력하는 메인 프로세서 모듈; 그리고

   상기 메인 프로세서 모듈로부터 수신한 상기 최종 데이터를 이용하여, 상기 전력반도체소자의 온도 변화에 따라 측정된 상기 전력반도체소자의 전압-전류 특성 그래프를 생성하고 표시하는 데이터출력장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 로더의 양단에 상기 전력반도체소자의 입력단과 출력단을 연결하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 N개 측정 모듈은,

   제1 측정 모듈, 제2 측정 모듈, 제3 측정 모듈, 그리고 제4 측정 모듈을 포 함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제1 측정 모듈의 일단이 상기 로더의 양단 중 일단에 연결되고,

   상기 제1 내지 4 측정 모듈들은 상호 직렬 연결되고,

   상기 제4 측정 모듈의 타단이 상기 로더의 양단 중 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제1 측정 모듈의 일단이 상기 로더의 양단 중 일단에 연결되고,

   상기 제1 측정 모듈의 타단이 상기 제2 측정 모듈의 일단에 연결되고,

   상기 제2 측정 모듈의 타단이 상기 제3 측정 모듈의 일단에 연결되고,

   상기 제3 측정 모듈의 타단이 상기 제4 측정 모듈의 일단에 연결되고,

   상기 제4 측정 모듈의 타단이 상기 로더의 양단 중 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 내지 4 측정 모듈들은 각각 0볼트에서 1000볼트까지의 전압을 인가하여, 상기 로더의 양단에 총 0에서 4000볼트까지의 전압과 그에 상응하는 전류 1mA를 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 N개 측정 모듈은, 각각

   공급전원을 변환하여 공급전압을 출력하는 변환부와,

   상기 변환부에서 출력된 공급전압을 전압 제어에 따라 기저전압에서 임계전압까지의 범위로 상기 로더에 인가하는 전압제어부와,

   상기 전압제어부에서 인가된 전압으로부터 상기 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 감지하는 센싱부와,

   상기 메인 프로세서 모듈의 제어명령에 따라 상기 전압제어부에 대한 상기 전압 제어를 수행하고, 상기 센싱부에서 감지된 전압 대비 전류를 상기 메인 프로세서 모듈에 제공하는 프로세서로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 공급전원은 고주파 전압인 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 센싱부는,

    상기 전압제어부에서 인가된 전압에서 상기 전력반도체소자의 턴오프 시에 상기 전력반도체소자의 입력단에서 출력단으로 흐르는 누설전류 값을 감지하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 메인 프로세서 모듈은,

    상기 전력반도체소자의 임계동작전압(항복전압)에 따라 상기 N개 측정 모듈 중 적어도 하나에 대한 온/오프 동작 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 시스템.
12. 측정대상인 전력반도체소자를 로드하는 단계와;

    상기 로드된 전력반도체소자를 정해진 온도로 가열하는 단계와;

    상기 전력반도체소자의 양단에 상기 가열된 온도에 기준한 기저전압에서 임계전압까지의 전압과 그에 상응하는 전류를 인가하는 단계와;

    상기 인가된 전압 및 전류로부터 상기 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 측정하는 단계와;

    상기 가열되는 온도의 변화에 따라 측정되는 전압 대비 전류를 지속적으로 누적하는 단계와;

    상기 누적된 데이터를 이용하여, 상기 전력반도체소자의 수명을 예측하기 위해, 상기 전력반도체소자의 온도 변화에 따른 전압-전류 특성을 출력하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 방법.
13. 삭제
14. 제 12 항에 있어서, 상기 인가된 전압 및 전류로부터 상기 전력반도체소자의 전압 대비 전류를 측정하는 단계는,

    상기 인가된 전압 및 전류로부터 상기 전력반도체소자의 턴오프 시 입력단과 출력단 간의 누설전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 방법.
15. 제 12 항에 있어서, 상기 전력반도체소자의 온도 변화에 따른 전압-전류 특성을 출력하는 단계는,

    상기 전력반도체소자의 턴오프 시에, 상기 가열되는 각 온도에서 상기 인가된 전압의 변화에 따른 상기 전력반도체소자의 입력단과 출력단 간의 누설전류 변화를 상기 전압-전류 특성으로써 출력하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 온도 변화에 따른 전압-전류 특성을 그래프로 출력하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 성능 측정 방법.

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