Halbleiterbauelemente auf Basis von SiC und GaN sind aufgrund ihrer besonderen physikalischen und elektrischen Eigenschaften ideal für anspruchsvolle Leistungsanwendungen geeignet. Ihre hohe thermische Stabilität, ihre ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, ihr hoher Wirkungsgrad bei großen Leistungsdichten, ihre Widerstandsfähigkeit bei hohen Spannungen und ihre lange Lebensdauer machen sie besonders attraktiv für die Leistungselektronik sowie den Einsatz in der Elektromobilität und der modernen Energieversorgung.

Das Fraunhofer ENAS und die VX Instruments GmbH entwickeln im Rahmen ihrer Zusammenarbeit im European Test and Reliability Center (ETRC), Europas neuem Kompetenzzentrum für Tests und Zuverlässigkeitsbewertungen von Halbleiterbauelementen, mit ihrem innovativen Testsystem eine neuartige Testlösung für SiC- und GaN-basierte Leistungshalbleiter. Die entstehende Prüftechnologie erlaubt das hochpräzise und parallele Testen von Halbleiterbauelementen, was die Qualität deutlich verbessert, die Testzeit verkürzt und den Testdurchsatz erhöht. 

Effektives Testen von Leistungshalbleitern auf Waferlevel sorgt für mehr Nachhaltigkeit in der Halbleiterfertigung

»Der entscheidende Durchbruch der gemeinsam mit der VX Instruments GmbH entwickelten Testtechnologie liegt in ihrer Fähigkeit, SiC- und GaN-Halbleiterbauelemente künftig direkt auf Waferebene und mit einer vollständigen Testabdeckung zu prüfen – und das mit bislang unerreichter Geschwindigkeit, Effizienz und Präzision. Derzeit erfolgt diese Prüfung auf Qualität und Funktionsfähigkeit erst zu einem relativ späten Zeitpunkt im Fertigungsprozess, wenn Bauelemente auf Basis der Leistungshalbleiter bereits durch Aufbau- und Verbindungstechnik zu komplexen leistungselektronischen Modulen montiert wurden. Eine Identifizierung von Defekten in diesem Stadium macht das Testen extrem kostspielig. Unsere neuartige Funktionsprüfung setzt deutlich früher in der Wertschöpfungskette an und ermöglicht die Inspektion des SiC- und GaN-Wafers auf Schwachstellen und Fehler, noch bevor der Aufbau der Halbleitermodule erfolgt. Das senkt nicht nur die Materialausschussquote, erhöht die Ressourceneffizienz und sorgt für mehr Nachhaltigkeit in der Fertigung, sondern führt auch zu einer deutlichen Senkung der Testkosten«, erklärt Prof. Dr. Harald Kuhn, Institutsleiter am Fraunhofer ENAS, die Vorteile des neuen Halbleitertests.

Das gemeinsam realisierte Prüfsystem ermöglicht zudem hochparalleles Testen auf Waferebene und damit die gleichzeitige Prüfung mehrerer Halbleiterbauelemente in einem einzigen Schritt. Dies führt zu deutlich verkürzten Testzeiten und wirkt sich positiv auf die Effizienz des gesamten Fertigungsprozesses aus.

»Unsere neue Prüflösung schließt durch die Inspektion von Bauelementen basierend auf den Leistungshalbleitern SiC und GaN bereits auf Waferlevel eine bisher bestehende wichtige Lücke im Bereich des Testens. Sie ist damit nicht nur ein wichtiges Bindeglied für die erfolgreiche Entwicklung und Einführung von innovativen Produkten auf dem stark wachsenden Leistungselektronikmarkt, sondern auch ein revolutionärer Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung und klimafreundlichen Mobilität«, so Prof. Dr. Harald Kuhn weiter.

Neues Prüfsystem vereint statisches und dynamisches Testen von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern in einem einzigen System

Da Schwachstellen und Mängel, wie beispielsweise Versetzungsdefekte des SiC- und GaN-Kristalls, die Materialeigenschaften und damit die Funktionsfähigkeit des Halbleitermaterials erheblich beeinflussen können, stellen umfassende Tests verschiedener Halbleiterparameter in einem frühen Stadium des Fertigungsprozesses einen wesentlichen Einflussfaktor für die Stabilität der späteren Leistungselektronikmodule dar. Der von beiden Partnern entwickelte neue Funktionstest ermöglicht sowohl eine frühzeitige und vollumfängliche Prüfung statischer als auch dynamischer Halbleiterparameter, wie beispielsweise Einschaltwiderstände, Schalteigenschaften oder Kurzschlussverhalten, mithilfe eines einzigen Systems. Die so realisierte Inspektion von SiC- und GaN-Halbleiterbauelementen auf Waferlevel stellt sicher, dass nur einwandfreie und funktionsfähige Bauelemente, die höchsten Ansprüchen an Qualität und Zuverlässigkeit genügen, den nächsten Prozessschritt in der Halbleiterfertigung erreichen.

Mit Unterstützung von Künstlicher Intelligenz schneller Defekte erkennen

Die Funktionsprüfung von Halbleiterbauelementen erzeugt riesige Mengen an Testdaten, die in kürzester Zeit ausgewertet werden müssen, um schnell eine Rückmeldung in den Fertigungsprozess geben und bei der Erkennung von Fehlern und Defekten rechtzeitig intervenieren zu können. »Um diesen Schritt zu beschleunigen, arbeiten wir gemeinsam mit dem Fraunhofer ENAS daran, die Auswertung dieser Testdaten zu verkürzen und damit die Geschwindigkeit der Testprozesse zu erhöhen. Möglich machen das die Einbindung von Methoden des maschinellen Lernens und die Integration von Künstlicher Intelligenz in unser neues Halbleiter-Testsystem. Durch die frühzeitige Identifikation von Schwachstellen können Halbleiterhersteller künftig sicherstellen, dass nur fehlerfreie und funktionsfähige Leistungshalbleiter in die weiteren Fertigungsprozesse eingehen, zu komplexen Modulen aufgebaut werden und qualitativ hochwertige, funktionsfähige Halbleiterinnovationen entstehen«, fasst Christian Degenhart, Geschäftsführer der VX Instruments GmbH, die Vorteile der gemeinsam mit dem Fraunhofer ENAS entwickelten neuen Testlösung zusammen.

Das vom Fraunhofer ENAS und der VX Instruments GmbH entwickelte hocheffiziente Prüfsystem für leistungselektronische Halbleiterbauelemente auf Waferlevel wird das Leistungsspektrum des kürzlich eröffneten ETRC durch neuartige Testroutinen ergänzen und diese für Kunden als Dienstleistung verfügbar machen.