2013
2013
TEC für Wärmeprüfung von Halbleitern verwendet
2013/06/07

Die Halbleiterprüfung bei einem sehr weiten Temperaturbereich während der Fertigungsprüfung bei DUT-Betrieb betrachtete man ursprünglich als zum Militärbereich gehörig. Mit der Zunahme an Mobilgeräten und den unterschiedlichen Umgebungen, in denen sie eingesetzt werden, erfordern ICs und Halbleiter jedoch strengere Prüfungen bei sehr weiten Temperaturbereichen. Der Begriff Tri-Temp-Test beschreibt diese Prüfanforderung, die von -55 ˚C bis 135 ˚C reichen kann.

Bei der Prüfung von Geräten bei unterschiedlichen Temperaturen kommt gewöhnlich eine Klimakammer zum Einsatz. Die Einschränkungen dieser Methode liegen in der Steuerung der Temperatur durch Leitung von Luftströmen über Heiz- und Kühlelemente. Auf Temperaturänderungen wurde langsam reagiert, und es ist auch schwierig, eine konstante Temperatur an verschiedenen Punkten in der Kammer aufrechtzuerhalten. Diese Methode der Temperaturmessung kann teuer und unwirtschaftlich sein, da langsamerer Temperaturübergänge die Verarbeitungsmenge in einer Fertigungsumgebung beschränken. Diese Kammertypen verbrauchen auch eine große Energiemenge, benötigen sehr viel Bodenfläche und haben in der Regel einen höheren Anschaffungspreis.

Im Gegensatz dazu ermöglicht der Thermal Electric Cooler (TEC) mit einem präzisen Temperaturregler, dass ICs in direktem Kontakt mit der Thermo-Spannvorrichtung oder -Plattform stehen. Bei Verwendung von stark wärmeleitenden Materialien, z. B. Kupfer oder Aluminium, als Grundplatte für die Spannvorrichtung oder die Thermo-Plattform und bei direkter Verbindung der TEC-Chips mit den Grundplatten kann die Wärmeleitung schneller reagieren und bidirektional verlaufen. Dadurch sind Temperatureinstellungen ober- und unterhalb der Umgebungswerte möglich. Das bidirektionale Ansteuerungsvermögen des Temperaturreglers sorgt für Genauigkeit und ermöglicht schnelle Temperaturübergänge. Mit Thermoelementen wird die Temperatur des Prüflings gemessen und aufrechterhalten.

TEC-Controller und -Plattform weisen schnelle Übergänge aus.
TEC-Controller und -Plattform weisen schnelle Übergänge aus.

Ein TEC-Modul zur thermoelektrischen Kühlung ist ein Festkörperbauteil, das den Wärmestrom elektrisch regelt. Es ist ausgezeichnet bei der Regelung von Temperaturen in kleinem Umfang und bietet schnelle Temperaturreaktionen sowie eine äußerst hohe Temperaturstabilität. Der TEC-Temperaturregler kann auch sehr kompakt und effizient sein.

Bei der Wahl des richtigen TEC-Geräts oder der angemessenen Thermo-Spannvorrichtung oder -Plattform müssen Parameter wie Th (heiße Oberflächentemperatur in ˚C), Tc (kalte Oberflächentemperatur in ˚C), Qmax (Wärmebelastung des Prüflings in Watt) und Rth (Wärmewiderstand des Wärmeaustauschers in ˚C/Watt) berechnet werden.

Die meisten TEC-Hersteller stellen Kurvenbilder oder Tabellen zur Verfügung, die bei der Wahl des geeigneten TEC oder der Formen zur Ermittlung der definierten Thermo-Spannvorrichtung oder -Plattform mit mehreren TECs behilflich sind.

Bei sehr niedrigen Temperaturen, z. B. -55 °C, muss berücksichtigt werden, dass, wenn der geprüfte IC-Baustein keine gute Wärmeisolierung zur Umgebung besitzt, er zu einer Hitzequelle wird und es zu einem Wärmeverlust kommt. Es kann sich Kondenswasser bei Prüfungen mit niedrigen Temperaturen bilden, sodass es wichtig ist, eine feuchtigkeitsfreie Umgebung zu schaffen. Es können verschiedene Typen von Lufttrocknungsverfahren verwendet werden.

Der TEC-Controller benötigt präzise Messungen von der Temperatur des Prüflings und ein schnell reagierendes, bidirektionales Ansteuerungsvermögen. Einige Vorrichtungen messen die Temperatur des Prüflings mit einem einzigen Thermoelement. Bessere TEC-Controller benötigen Messungen mit 2 Thermoelementen, insbesondere wenn sie sich eines PID-Reglers (Proportional-Integral-Derivative-Controller) bedienen.

Ein PID-Regler berechnet einen „Fehlerwert“ als Differenz zwischen einer gemessenen Regelgröße und einem gewünschten Sollwert. Der Regler versucht, den Fehler durch Anpassung der Prozesssteuerungseingänge auf ein Minimum senken. In der Berechnung des PID-Reglers (Algorithmus) sind drei separate Parameter involviert: Proportionalwerte (P), Integralwerte (I) und Ableitungswerte (D). P hängt vom vorliegenden Fehler ab, I von der Summierung früherer Fehler und D ist eine Prognose für künftige Fehler auf Basis der aktuellen Änderungsrate. Die gewichtete Summe dieser drei Aktionen dient zur Anpassung des Prozesses über ein Reglerelement des Stroms, mit dem der TEC versorgt wird.

Eine manuelle Wahl der Parameter für den PID-Regler kann sehr schwierig sein. Es gibt TEC-Controller mit einer Auto-Tune-PID-Regelung, die das PID automatisch abgleicht. Einige TEC-Controller finden PID-Parameter mit Hilfe eines kleinen Signals und einer unidirektionalen Temperaturtransiente. Diese Methode des automatischen Abgleichs ist für die Temperaturregelung von nur Heizgeräten OK, aber nicht für die TEC-Regelung. Zur Anpassung der thermischen Reaktion eines TEC-Regelungssystems bedienen sich erweiterte TEC-Controller einer hochsignaligen und bidirektionalen Antriebsmethode für automatischen PID-Abgleich. Diese Methode ergibt das optimalste Temperaturregelungsverhalten, das schnell, präzise und stabil ist. Während einige andere TEC-Controller je 20 ˚C ein Set an PID-Parametern benötigen, brauchen Chromas erweiterte TEC-Controller nur ein Set an optimalen PID-Parametern (in der Regel bei 40 – 50 ˚C automatisch abgeglichen), um den gesamten Betrieb zwischen -50 und 150 ˚C abzudecken. Die nachstehenden Schaubilder zur PID-Regelung illustrieren die Unterschiede einer herkömmlichen Ein-/Aus-Regelung, einer nicht optimierten PID-Regelung und einer automatisch abgeglichenen PID-Regelung.

Schaubilder für PID-Regelung
Schaubilder für PID-Regelung

Die Schaffung eines umfassenden Thermotestsystems würde die Thermo-Spannvorrichtung oder -Plattform mit Thermosteuerung und einem kleinen, fest zugeordneten abgedeckten Bereich rings um die Plattform mit einbeziehen, um eine trockene Umgebung frei von Kondenswasser zu gewährleisten. Dieser Systemtyp ist z. B. das Chroma 3110 Tri-Temp-Testsystem (nachstehend abgebildet).

Tri-Temp-Testsystem
Tri-Temp-Testsystem

Bei Verwendung eines 54130 TEC-Controllers mit geeigneter Plattform und den Chroma IC-Fördertechniken bietet Chroma eine Tri-Temp-Gesamtlösung für IC-Hersteller. Chroma 3110 wurde für Signaltests für Prüflabore entwickelt und Chroma 3260 verfügt über 6 Teststellen zur Erhöhung des Prüfdurchsatzes.

Wie dargestellt, wird das DUT (der Prüfling) von der „Spannvorrichtung“ kontaktiert, die mittels unterschiedlicher Formfaktoren angepasst wird. Das TEC als Brücke zwischen „Spannvorrichtung“ und „Kälteplatte“ wird vom bidirektionalen elektrischen Strom des TEC-Controllers angetrieben. Die Temperaturunterschiede zwischen Istwert „IW“ und Sollwert „SW“ werden von 2 Thermoelementen überprüft und dann zum TEC rückvermittelt, um die Leistung anzugleichen. Kühlapparate werden mit der „Kälteplatte“ für den Fall verbunden, dass angestaute Hitze abgeleitet werden muss. Ein Lufttrockner liefert die benötigte „Trockenluft“, um eine Kondensation an der Teststelle zu vermeiden, an der sich das DUT befindet.

Letztendlich sind Thermal Electric Cooler-Geräte (TEC) in einer Thermo-Spannvorrichtung oder -Plattform errichtet und werden von einer TEC-Präzisionssteuereinheit gesteuert, sodass sie auf wirtschaftliche Weise in der Fertigung und Designprüfung verwendet werden können. Mit verbesserter allgemeiner Leistung, Genauigkeit, niedrigeren Kosten und besserem Durchsatz.

Für weitere Informationen zu Chromas TEC-Controller- und Datenlogger-Produkten besuchen Sie bitte unsere Produktseite für thermoelektrische Prüfung und Kontrolle.

Modell 54100-Serie Erweiterter TEC-Controller