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優化熱量管理/電感量測效率 VCSEL光脈衝測試精準到位

雷射二極體和VCSEL的基礎測試是光電流電壓(LIV)曲線測試,此測試同時亦會量測裝置的電和光的輸出功率特性(圖1)。這項測試主要用來在裝置進入組裝前分揀或剔除不良裝置。DUT要進行電流掃描,同時記錄掃描中每一步的前向電壓下降。同時,儀器會監測光功率輸出,然後分析得到的資料,確定雷射特點,包括雷射臨界值電流、量子效率和「轉折點」偵測(第一個衍生光功率輸出與注入電流曲線中的局部化負斜率)。 圖1 LIV曲線 LIV測試首重熱量管理/熱效應 脈衝式LIV測試最好在生產早期完成,也就是在將VCSEL組裝到模組中之前。對仍位於晶圓上的VCSEL、雷射二極體及脈衝式測試至關重要,因為裝置在這個時候沒有溫控電路。使用直流測試可能會改變其特點,甚至在最壞情況下會破壞裝置。在之後的生產階段,當其組裝到具有溫控的模組中時,裝置可以進行直流測試,然後將測試結果與脈衝式測試結果進行對比。由於溫度位移導致裝置特點變化,某些裝置會通過直流測試,但卻無法通過脈衝式測試。 VCSEL特別適合用於切片前晶圓階段測試,因為其輻射與晶圓平面垂直的光能量。儘管許多VCSEL可在非脈衝模式下測試,因為其效率很高,但功率較高的裝置要求在生產早期階段進行脈衝式測試,這可避免產生高熱顆粒,如果執行非脈衝式直流測試,高熱顆粒會引起機械壓力。 LIV特性與雷射溫度相關,在測試過程中必須緊密控制雷射溫度,就像正常操作中一樣。為什麼要執行低工作週期脈衝式LIV測試?主要原因有熱量管理、熱回應和暫態回應。一般而言,這些問題的出現,是因為必須在安裝到熱量管理裝置之前,如散熱器或熱電冷卻器(TEC),有時稱為帕爾帖裝置,針對雷射二極體和VCSEL執行直流測試。 在雷射二極體或VCSEL正確安裝在TEC,並在模組系統或封裝中執行時,其溫度可以保持在±0.005℃範圍內。在典型沒有冷卻的非脈衝式LIV測試中,自熱會影響雷射的電和光效能。內部溫度位移會改變前向電壓下跌、動態電阻、量子效率和其他特點。在較短持續時間的脈衝中,雷射二極體的平均功耗產生的熱效應最小。 然而本文發現,脈衝式LIV效能差的VCSEL或雷射二極體可能會通過非脈衝式測試。這些有問題的裝置通常會在光纖資料通訊系統使用的雷射二極體模組中導致高誤碼率,或在以VCSEL為基礎的車用LiDAR系統中導致偵測問題。 另一類問題是脈衝式LIV特性很好,但卻無法通過非脈衝式測試。一般而言,這些裝置會在雷射啟動後幾微秒內在光學上變得不穩定,同時伴隨著光輸出下跌到預計光功率的幾分之一。因此,在適當的生產階段比較脈衝式LIV掃描與非脈衝式LIV掃描,可以更完整指示DUT效能及模組和封裝中,內建的熱量管理裝置效果。 LIV測試電流脈衝特性剖析 測試雷射二極體或VCSEL要求正確形狀的電流脈衝,應相當迅速達到全部電流(但不要過快而導致過衝和振鈴),然後要保持平坦足夠的時間,確保結果準確顯示雷射二極體的真實輸出。脈衝式LIV測試中的第一個挑戰,是提供擁有適當的振幅、持續時間、工作週期及上升時間和下降時間的恆定電流脈衝,如圖2所示。 圖2 10A,10μs電流脈衝,1.7μs上升時間 為最佳化轉折點偵測,LIV掃描中相鄰電流階躍之間的脈衝特點差異必須盡可能確定,如圖3所示。 圖3 VCSEL上1A/2.5A/5A/7.5A和10A處振幅掃描 傳送電流脈衝有兩種常用方法:將脈衝式恆定電流源直接耦合到雷射二極體,以及使用驅動已知電阻的脈衝式恆定電壓源。在這兩種方式中,脈衝式電流源的穩定性更好。 脈衝式LIV測試的最大源訊號振幅一般會超過雷射二極體或VCSEL一般工作電流的兩倍。對早期測試,通常使用500ns~50μs的脈衝寬度,工作週期一般會≦3%。電流可以在數十毫安培到數安培。此測試條件是因為要盡可能降低平均功耗,同時縮短測試持續時間。這可能會對系統提出很高的需要,特別是在阻抗匹配方面。 高電流脈衝的上升時間和下降時間應足夠短,以保證電流脈衝頂部的平坦時間。上升時間和下降時間之和應小於總脈寬的30%,以允許頂部的訊號穩定時間和平坦時間。另一方面,轉換速率要盡可能低,以降低高頻頻譜成分,協助減少脈衝傳輸問題和穩定時間。 脈衝傳送/電纜電感克服震盪 同軸電纜廣泛用於將快速訊號傳送到待測裝置。每條電纜都有自己的特性電纜阻抗,這種特性阻抗同時與電容和電感有關。兩者之間最關鍵的係數是電纜電感,以提供乾淨的10μs脈衝。計算這個電感時需要的變數有中心導體直徑、到外部遮罩層的距離和長度,如圖4所示。同軸電纜的相對磁導率通常為1,這取決於絕緣體的材料。例如在內徑是1mm、外徑是3.5mm、長度為1m,且相對磁導率為1時,可計算出同軸電纜的電感是250nH,這幾乎是同軸電纜電感的典型值。至於非遮罩電纜的電感則要高得多。 圖4 同軸電纜電感 其中Lcoax為同軸電纜的電感,單位為亨利(H);μ0為真空磁導率,其為4π×10-7;μr為相對磁導率;D為同軸電纜外徑;d為同軸電纜內徑;L為同軸電纜長度。 在大多數情況下,從測試儀器到DUT會並聯兩條同軸電纜,一條連接到高電位端子,而另一條則連接到低電壓端子。問題是,兩條電纜的電感並不是一條電纜電感的兩倍,而是高出3~6倍(視電纜如何從儀器輸送到DUT而定)。例如,1公尺長、250nH電感的電纜,兩條電纜並聯時,電感並不是500nH,而是可能高達1.5μH。這可能會產生額外的環路電感(視兩條電纜相距的距離有多遠)。為消除環路電感,兩條電纜的遮罩層應在電纜兩端捆紮在一起。 電纜中電感帶來的最大挑戰是如何克服電流脈衝中的振盪、過衝和下衝。在電容可能會導致電壓脈衝振盪時,電感會給輸出電流穩定性帶來負面影響。如圖5便說明多個電感負載對100μs脈衝的影響。 圖5 電感器上的1A 100μs脈衝,1μH/3μH/5μH 測試結果指出,在電感提高時,脈衝形狀的過衝和不穩定程度也會提高。不穩定會導致很難進行準確量測,因為脈衝穩定時間可能會太長。 另一個與電纜電感有關的問題是脈衝的上升邊緣和下降邊緣積累的電壓。經過電感器的暫態電壓可以用L×di/dt計算得出,其中L是電感,di/dt是電流相對於時間的變化速率。讀者可能會猜到,上升時間和下降時間越短,邊緣累積的電壓越大。在圖6和圖7中,脈衝中22μs的上升時間會在上升邊緣產生2V的電壓;但1.6μs的上升時間會產生大約10V電壓尖峰。這個電壓尖峰會在邊緣給儀器帶來某些電壓上的負擔。儀器必須支援電壓峰值。如果電壓有限,則上升邊緣可能會很慢。在快速脈衝中,更嚴重的高壓峰值問題是要求額外的穩定時間,才能進行精確的電壓量測。 挑戰在於如何為裝置提供一個可用的電流脈衝,而又不會產生振盪、過衝和下衝,進而能夠正確測試裝置,即使在電纜電感及裝置間電感可變性變化時,仍能進行準確的電壓量測。 圖6 1μH電感器上22μs上升時間,10A脈衝   圖7 1μH電感器上1.6μs上升時間,10A脈衝 光耦合至偵測器條件限制 擷取雷射二極體的脈衝式光輸出並不是一項輕鬆的任務。通常會使用三種偵測器材料:矽(Si)、鍺(Ge)和銦鎵砷化物(InGaAs)。每種材料都有優勢和劣勢。如圖8所示,偵測器的選擇在很大程度上取決於涉及的光的波長。在波長小於800nm時,矽是唯一的選擇。但大部分電信設備的工作波長是1,300nm~1,700nm,在這種情況下,InGaAs似乎是最佳選擇,因為其回應相當一致,而且能夠支援最高約1,700nm的波長。 圖8 偵測器的選擇在很大程度上取決於涉及的光波長 來自雷射二極體的輸出可以透過多種方式耦合到偵測器。其中一種方式是將雷射直接對準偵測器,但這種方式有多種缺點。並不是所有光都能到達偵測器。 對封裝零件而言,通常最佳的解決方案是積分球—內部是一個空心球,外面包著一層反射材料,配有一個偵測器安裝架,有一個埠饋入要量測的光(圖9)。積分球接收來自光源的所有光,隨機化其偏振,將光均勻分布在內部表面。然後透過球體側面安裝的偵測器會「看到」饋入球體的光可量測、可重複的部分(大約1%)。 圖9 積分球解決將儀器耦合到雷射二極體輸出的問題 待量測的光很充足,但不足以讓偵測器超載。不過,在晶圓級測試VCSEL時,積分球並不實用。在正常情況下,晶圓探棒會透過探棒卡在電氣上連接到每個裝置。探棒台還將光偵測器直接放在裝置上方。如果探棒卡能夠同時連接多個裝置,則可構建與圖10所示的類似測試系統,每次在探棒卡接觸晶圓時測試所有裝置。由於晶圓上的裝置數量高,使用掃描方式測試多個裝置可能會耗時很長。對要求高輸送量的應用,最佳解決方案通常是使用多對儀器來並行測試多個裝置。 圖10 雷射二極體模組典型的LIV測試設定。可使用相同儀器測試VCSEL;2601B-PULSE用來為待測裝置提供10A@10V@10μs的電流脈衝,使用數位萬用電表監測光輸出,同時由TEC控制模組溫度 儀器多工設計簡化LIV測試難度 在脈衝LIV測試中,最困難的任務之一,是擷取雷射二極體在峰值時的脈衝式光輸出。光脈衝持續時間短,對大多數商用光功率計而言並非合適的訊號。一般而言,脈衝LIV測試中最困難的任務之一是擷取雷射二極體在峰值時的脈衝式光輸出。光功率計是為要求幾秒積分時間完成一個讀數的高準確度量測而設計。儘管可以使用這些儀器,但其要求很長的積分週期,才能累積數千個雷射脈衝。然後韌體或外部PC的測試程式必須計算峰值光功率,並假設平均功率是驅動雷射的電流脈衝的工作週期的函數。此外,還有一個進一步的假設,即雜訊訊號的積分是零。 由於光功率計存在的缺陷,測試工程師已為脈衝式LIV測試設計出更快速、更準確的測試方法。量測饋送高速脈衝的雷射二極體中的電壓和電流並不容易。 在歷史上,最常用的方法是採用機架安裝的多台儀器,並在PC控制器上執行相當複雜的客製化軟體。除使用PC進行測試定序和訊號分析外,這一系統使用的設備還有電流脈衝產生器/SMU儀器、光量測裝置(光電偵測器等)、熱電冷卻裝置儀器,以及數位萬用電表(用來量測積分球或光電偵測器的輸出訊號)。 這類系統的設計方式是同時包括脈衝式工作模式和非脈衝式工作模式。這種雙重功能可以使用相同的量測通道,在一個平台上執行兩類LIV掃描(脈衝式和直流),如圖11所示的Keithley 2601B-PULSE System Source Meter 10μs脈衝產生器/SMU儀器,其控制環路系統對3μH以下的負載變化不需要進行調諧,因此在電流高達10A,輸出10μs~500μs的脈衝時,電流脈衝沒有過衝和振鈴。這保證時間快速上升,可以為裝置提供電流脈衝,正確分析裝置或電路特性。透過對比脈衝式測試結果與非脈衝式測試結果,可以得到與DUT效能更完整的資訊。 圖11 Keithley 2601B-PULSE System Source Meter 脈衝產生器結合SMU 改善系統速度/輸送量 效率和低成本是在現今製造生產環境中生存的關鍵因素。測試必須快速、準確、成本低。這意謂著使用光功率計並不是最佳選擇,因為會隨著時間積分光輸出,低工作週期輸入可能會延長積分週期。此外,量測的準確度取決於脈衝工作週期的準確度,以及光輸出工作週期與電輸入工作週期的匹配程度。 對許多儀器而言,PC負責控制測試的所有流程。在測試序列每個要素中,必須為每項測試配置儀器,儀器執行所需的操作,然後將資料返回主控PC。而主控PC必須評估測試通過/未通過指標,執行相應操作來約束待測裝置。發送和執行的每條命令都會占用生產時間,降低輸送量。 顯而易見地,此測試序列中有很大的部分是與PC來回傳送資訊。像2601B-PULSE和Keithley新DMM等儀器提供獨特功能,透過降低通訊匯流排上的業務量,顯著提高複雜測試序列的輸送量。 在這些儀器中,絕大部分的測試序列嵌入在儀器中。Test Script Processor(TSP)是一種全功能測試序列引擎,可以控制測試序列,並擁有內部測試通過/未通過指標、計算和數位I/O控制功能。TSP可以在記憶體中儲存使用者自訂的測試序列,並透過命令執行這些測試序列。這種方式限定測試序列中每一步的「設定」和配置時間,提高了輸送量,因為其減少儀器與PC之間的通訊數量。 本文回顧電纜電感的影響、熱量管理需求以及建立脈衝式和直流LIV測試系統的各種組成部分。 在生產輸送量至關重要時,像2601B-PULSE System Source Meter方案在一台儀器中同時提供脈衝產生器和SMU;這款儀器的脈衝產生器功能提供可靠且可重複的脈衝波形、寬度、上升時間和下降時間(最高可達10A@10V,最低可達10μs)。 而這款儀器提供許多好處,包括不需手動調諧脈衝輸出就可以確保高脈衝完整性,縮短測試時間,節省生產成本;使用一台儀器進行直流/脈衝電流和電壓量測;分析VCSEL的特性,並開發下一代材料、裝置和模組;使裝置自熱狀況達到最小,盡可能降低探棒頭燒毀風險,保護VCSEL、VSCEL陣列及LED;量測低達單位數ms的取樣速率,同時輸出10μs,10A@10V電流脈衝。 (本文作者為太克科技SMU產品行銷經理)
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寬能隙材料觸發電源革命 量測軟體角色更吃重

高效能、低損耗的開關元件,對於馬達控制電路跟切換式電源供應器而言,是不可或缺的核心元件,以往這類開關元件都是以矽為基礎的MOSFET跟絕緣柵雙極電晶體(IGBT),但氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)這兩種寬能隙(WBG)材料的出現,正在逐漸改變這個市場的樣貌。 與矽相比,GaN跟SiC具有更低的導通電阻、更高的切換頻率,同時也能承受更高的電壓。這使得基於寬能隙材料的電源供應器跟馬達驅動設備,外觀尺寸將變得更小巧,但輸出功率卻比基於矽開關的設備還要更高。對電源產業來說,這些特性不只讓既有的產品性能更優異,同時還為相關業者開拓了新的應用市場。 量測儀器業者也從這波新材料導入所觸發的電源產業革命中,看到的新的機會與新的挑戰。由於應用更多元化,原本提供切換式電源產品,主力應用在PC、伺服器與消費性電源市場的業者,開始接觸到電動車、能源等新的垂直產業,但這些產業都有自己行之有年的產業標準跟規範,且還在與時俱進當中。如何讓工程師快速熟悉相關規範、簡化量測作業,甚至縮短產品開發時程,也成為儀器供應商的責任。 新應用、新挑戰與新機會 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙(圖1)指出,對電源量測來說,寬能隙元件的出現,最直接的影響就是其開關頻率比矽要高出一大截。以往以矽為基礎的MOSFET或IGBT,開關頻率往往只有數百KHz,最高也不過在1~2MHz之間,但寬能隙元件的開關頻率可以達到數十MHz,以後還有可能會拉得更高。 圖1  是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙 因此,要開發基於寬能隙元件的電源應用,開發者第一個要面對的,就是儀器的速度必須跟上元件的開關頻率。但開關頻率拉高,除了令既有的電源量測儀器要跟著升級之外,設計工程師還會需要使用新的儀器,例如網路分析儀、EMC測試儀等。因為頻率跟雜訊是連動的,當頻率高過一定門檻之後,電源工程師應對電磁干擾(EMI)的方法,也必須跟著轉變。此外,開關頻率提高,也會讓工程師更難用傳統量測設備取得CV特性、S曲線等電源相關的關鍵參數。因此,電源應用開發只需要示波器跟電源探棒的想法,會越來越難套用在新一代電源的開發上。 如果把電源技術應用型態的拓展也納入考量,則電源設計者面對的問題將會變得更複雜。以往在開發電源供應器時,通常只需要做靜態量測跟功能性量測,動態量測的需求不多。但如果是電動車、能源等產業,這些產業奉行多年的標準,如JEDEC、IEC等,都會要求進行靜/動態同步測試,雙脈衝測試因而成為基本需求,這會用到任意波形產生器跟對應的軟體。且不同垂直應用還會有該產業必須遵守的標準規範,產品必須通過標準合規測試,才有機會進入市場。因此,把上述種種因素加總起來,電源相關產業的產品研發人員,正面臨一個新時代,需要新的設計工具跟儀器來輔助。 是德科技行銷處資深專案經理吳哲樂(圖2)則補充,在開發新一代電源的過程中,開發軟體、模型分析工具的重要性,會比以往更加重要。因此,在是德針對電源應用所推出的PD1000A平台中,除了對應的儀器硬體外,還有大量的軟體工具。這些軟體包含建模軟體和一系列電源電路模擬工具,讓工程師能更輕鬆地建立模型。而包含曲線追蹤、S參數與雙脈衝測試儀硬體的測試套件,能夠從實際的WBG元件取得量測結果,再利用先進的建模軟體,建立是德科技獨有的尖端WBG元件模型。這些模型之後亦可用於是德提供的先進設計系統(ADS)軟體,以模擬並分析高頻元件對於設計可靠度和EMI的影響。在完成第一個原型之前,設計人員可隨時變更設計,藉由省下不必要的設計週期,節省時間與成本。 圖2  是德科技行銷處資深專案經理吳哲樂 整體來說,電源設計團隊如果要開發基於GaN或SiC的新一代電源,且產品的目標應用不是傳統的電源供應器市場,開發者會面臨許多以往不曾遇到的挑戰,儀器供應商必須提供對應的Turnkey方案,才能發揮儀器供應商的價值。而測試軟體跟分析工具,則是這整套Turnkey中,不可或缺的一環。 寬能隙商機來臨 晶圓/元件測試最先有感 太克科技(Tektronics)資深技術顧問陳思豪(圖3)則指出,寬能隙材 料的革命,影響的不只是電源設備的設計開發,更上游的半導體晶圓測試,也需要有所因應。而台灣由於有很完整的晶圓代工跟封裝產業鏈,因此相關晶圓級/封裝級測試,需求已經有所反應。 圖3  太克科技資深技術顧問陳思豪 針對功率元件的晶圓級/封裝級測試,最主要的測試儀器是精密電源量測單元(SMU),而隨著功率元件從矽逐漸轉變為WBG材料,儀器要量測的基本參數其實沒有太多改變,諸如IV曲線、CV曲線、S參數,以及反向電流特性等。但因為大功率是WBG元件一個很重要的特性,因此WBG元件測試的電壓、電流需求,普遍比以往的矽元件來得高,進而促使太克發展出支援高功率、大電流測試的Keithley 2600 PCT系列儀器。 不過,在元件測試端,就跟在系統測試端的情況類似,測試軟體所扮演的角色也越來越吃重。除了基本的測試項目外,為了確保元件可靠度能滿足特定垂直產業需求,不管是晶圓測試還是封裝測試,都需要額外加測很多測試項目,有時加測項目可以達到上百項。因此,利用軟體來實現測試自動化,甚至是用客製化軟體來幫客戶滿足特定測試驗證需求,變成儀器商一個很重要的價值所在。 另一個有趣的觀察點在於,WBG元件測試設備跟軟體的需求,其實不完全來自半導體晶圓廠或封裝廠,有一部分台灣的電源OEM廠商,也開始採購原本用在半導體測試領域的解決方案,以便在採購的元件到貨時,進行進料檢驗(IQC)跟元件分級。陳思豪認為,這是台灣電源產業發展的好現象,顯示有些電源業者已經開始轉往高品質、高附加價值的產品線,而不再只是一味追求低成本。 至於在應用系統的測試方面,太克科技業務經理吳道屏(圖4)則認為,WBG元件所帶來的新技術需求,主要出現在電源探棒上,畢竟對示波器或RF測試儀器來說,量測電源應用訊號跟雜訊所需的頻寬,其實都遠低於目前最先進的高速介面跟無線通訊技術,但電源探棒的需求,是電源系統量測所特有的。 為了因應大功率發展趨勢,電源探棒的性能必須更上一層樓,否則隨著元件上的電壓越來越高,加上要做動態量測,電源設計工程師工作的危險性會隨之大增。事實上,電源量測本來就是有相當風險的工作,因為開關元件會有反向電流,當高側跟低測在切換時,萬一不慎同時導通,出現短路,不僅元件燒毀,正在量測待測物的工程師也會有人身安全的問題。 此外,由於WBG元件的切換速度很快,倘若探棒上的寄生電容沒有相對應的降低,示波器量測到的波形就會跟著失真,讓設計人員無法取得真實的波形。所以,探棒技術的革新,其實是讓WBG元件的應用研發得以開展的關鍵要素。針對WBG元件的應用測試,太克研發出IsoVu探棒系統,該探棒使用光學技術實現完全的電隔離,共模耐壓超過2000V,且寄生電容的容值遠低於傳統探棒,使其成為量測高壓、高頻切換WBG元件的理想選擇。
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太克System SourceMeter添加脈衝免調適技術

太克(Tektronix)日前宣布推出新型 2601B-PULSE System SourceMeter 10μs Pulser/SMU儀器,將具有直流電輸出和量測功能的高速電流脈衝產生器整合在一台功能強大的儀器中。新系統採用了 PulseMeter 技術,可在 10A 和 10V 的電源環境下時產生短至 10μsec 的電流脈衝,而且完全毋需手動調整輸出,即可配合高達 3μH 的裝置阻抗。此特性對於有效降低裝置的自熱現象十分重要,對光學裝置而言,裝置的自熱現象可能會導致錯誤的量測結果,甚至可能會損壞測試設備。全新的 2601B-PULSE 亦包含了 Keithley 的標準機型 2601B System SourceMeter(40V,3A 直流,10A...
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