高压测试遥遥领先

电压需求不断增加，尤其是电动汽车市场。甚至可能被认为电压相对较低的设备，如显示驱动器，现在也超过了既定的基准。

虽然高压工作并不是什么新鲜事——许多工程师都能回忆起他们工作场所的黄色警告带——但大量和各种各样的新要求使得高压测试成为铸造厂和测试机构的首要任务。例如，汽车现在是多域系统，电压要求从大约40伏到2千伏不等。

大众汽车市场运营总监凯尔•克拉特卡(Kyle Klatka)表示:“电动汽车的普及正在加速，推出与内燃机价格相似的产品的压力正在加大。Teradyne．“消费者关心的一个主要问题是汽车续航里程。为了增加这一范围，汽车行业需要降低电缆的重量和配电的损耗。考虑到整个汽车的趋势是更高的电压，包括所有子系统的电池和电源转换，以及显示器等单个组件，高电压和高功率设计的专业知识将是半导体供应商的关键。测试设备公司需要具备这一领域的能力，才能真正使电动汽车市场发挥其潜力。”

所有这些也都需要迅速发生。Eagle Test Systems的业务开发经理丹尼斯•基奥(Dennis Keogh)表示:“我看到了我们以为会更久远的里程碑。”“人们希望更高效地获得更高的功率，这推动了动力传动系统中更高电压的碳化硅和GaN组件。还有一个消费者的“圣杯”，就是想要在加满汽油的时间内给电池充电。据估计，电池/充电机制需要达到1000伏左右，所以业界希望从目前的400伏提高到1000伏。”

这一加速的路线图给测试公司带来了许多挑战，例如在测试过程中，用于高电压部件的材料可能会变脆，更容易损坏。

”碳化硅被认为是新的，未经证实的，但特斯拉已经把碳化硅全部用于汽车，并将该技术应用于他们的pmic。这确实向业界发出了一个信号，即可以继续使用碳化硅，因此它继续对逆变器和其他高电压产品产生影响，”该公司产品营销总监Marc Swinnen说有限元分析软件．

芯片行业正竞相解决所有问题。“对碳化硅有一个很长的学习曲线，”该公司营销经理罗兰•斯蒂尔(Roland Stele)表示英飞凌科技．“真正的挑战是降低缺陷密度。在设计方面，使用碳化硅并没有太大的不同。更重要的是它是如何制造和包装的。连接是一个挑战，终端设备的测试也是一个挑战。此外，还存在从6英寸到8英寸晶圆的转变，以及如何切割晶圆以减少浪费的问题。”

Stele表示，学习曲线始于2000年代，但由于对GaN和SiC没有足够的需求，它趋于平稳。他指出，在过去几年里，随着这些材料被应用于各种应用，特别是汽车领域，情况已经发生了变化。

这两个氮化镓和碳化硅比硅更脆，所以使用这些材料宽禁带材料需要一些改变。Teradyne现场产品专家Tom Tran表示:“对于氮化镓和碳化硅等材料，通常在最大工作温度下工作意味着会迅速损坏部件。“你可能不会马上看到它，但它很有可能发生，即使低于设备的预期最大值。另一个问题是探针针。有了很多这样的部件，我们也要处理更高的功率。例如，用于驱动系统的碳化硅将处理10到25安培，甚至30安培。所以现在你必须用更多的探针针来着陆，因为通过一次接触可以提供的东西是有上限的。”

这可能导致更长的测试时间。此外，芯片制造商正在努力解决泄漏和动态RDS(on)问题，因此能够获得精细的结果至关重要。

“动态RDS(开启)实际上是一个问题，‘在你开始看到真正的RDS(开启)delta之前，你必须施加多长时间的压力?“我们见过很多例子，压力低至10微秒，高至400毫秒。但我们通常会看到较高的一端，有点像研发类型的过程，而不是生产。”“这变得非常有趣，因为不同客户的不同要求给了我们不同的数字，让我们知道我们能多接近它。”

虽然其中一些挑战既新颖又众所周知，但它们需要重新思考，该公司首席测试策略师戴夫·阿姆斯特朗(Dave Armstrong)说美国效果显著．“设备一直都是烧制的。一种方法是高压。你运行一个非常苛刻的模式，高功率，高的一切，或者你把它提高到比你通常做的更高的电压水平，甚至比它指定的更高。高压压力是一项非常具有挑战性的测试，因为人们经常在一定的电压下进行测试。多年来一直是一个常数。然后他们放弃了VDD，但他们没有放弃HVS限制。现在，突然之间，你的部分有了更多的压力，因为你的部分有太多的空间来产生过电压。当你降低到0.75或0.5伏的部分时，你把它提高到1伏以上，你的设备是否压力过大?人们最终扔掉了零件，因为他们损坏了它们。 “It’s unclear if this is the right thing for us to be doing. What is clear is that this is an existing testing strategy which we need to consider carefully as geometries shrink.”

还有其他挑战，从平凡的到戏剧性的都有。

一方面，有一些明显的问题可以追溯到几年前。Tran说:“例如，你正在进行故障测试，你有一个很大的站点数，比如16或32个站点。“然后其中一个站点出现故障，你的电源轨就会掉下来。为了缓解这种情况，我们所做的是将电流控制在较低的一侧，所以即使某个部件出现故障，我们也会将其夹紧。这样我们的电力供应就能保持在高位，而且我们还能在其他地点进行测量。它保持平行。这是我们避免不得不回去一次做所有测量的方法。”

其他问题
提高电压也带来了其他挑战。“当电压开始攀升时，就会出现电弧问题。实际上，它可能会烧穿卡盘，这将是非常昂贵的维修。”“这不仅是我们设备的问题，我们要控制探针的一切，而且是探针卡制造商要考虑的问题。你怎么把压力室弄进去的?你如何控制它，特别是当你的站点计数上升，而你的针越来越近?其中很多都是原始物理，时间间隔很大。显然，当电压从900伏上升到1200伏甚至更高时，我们会更频繁地看到这种情况。”

电动汽车的需求也影响了显示驱动器等部件，这些部件对电动汽车驾驶舱显示器至关重要。“这项业务的关键挑战是执行能反映设备实际运行情况的测试，”Advantest市场经理Yoshiaki Ueda表示。“汽车系统对每个组件都要求高质量，因此汽车半导体器件必须在实际运行条件下进行测试。负载电流的处理是实现实际运行测试的关键。

Advantest刚刚推出了一款LCD高性能逐针数字化仪和比较器模块。该公司表示:“汽车市场的ddic通常包含用于源和门驱动程序以及定时和触摸控制器的单独芯片。”“现在，这些功能都将集成到单个芯片中，对能够在一次插入中测试所有设备功能的测试仪的需求正在迅速增长。”

这种新装置能经受±40V的高电压测试。在不久的将来，显示驱动程序不太可能超过这些要求。所以目前，测试仍然是基于现有的设备和流程。上田说:“显示驱动器ic (dic)的高压测试是由LSI测试器进行的，就像任何其他测试一样。“显示器基本上有一个源驱动程序和一个门驱动程序，门驱动程序需要高压操作。随着帧率的增加，栅极驱动器的速度也会增加，因此需要高电压和高回转率操作。”

未来
然而，传统的和新颖的障碍仍然存在。“在很多情况下，我们客户的IC设计周期比设备公司的仪器和设计周期短，这总是给我们带来一些压力，”Keogh说。“很难预测这些组合——基础设施、电池基础设施、在哪里减轻重量、电池控制系统的无线通信。每个人都在往那个方向走，但它可能会导致一些非常奇怪的东西，你不会认为它们会受到电压的影响。例如，有一个电池管理芯片，它可以监控所有电池的电量状态，然后平衡它们，以确保它们保持在正确的范围内，这对提供电动汽车的续航里程非常重要，这意味着它对安全也至关重要。汽车行业正在转向无线BMS，通过减少所需的物理电缆数量来减轻汽车重量。我们的假设是，在控制板上将有一个蓝牙芯片和一个BMS监视器，但这两者不会结合在一起。现在，我们听到人们在谈论将蓝牙与电池管理芯片放在同一个封装中，后者需要150到200伏的电压。”

对更高电压的推动也将对传动系统产生影响。“效率驱动是如此巨大，它绝对会推动电池充电，所以电池监控器将不得不处理1000伏的系统。从安全性和可管理性的角度来看，1000到1200可能是上限。“在动力传动系统方面，这意味着我必须处理1700到2000伏，甚至3000伏，”Keough说。

Tran补充说:“我绝对看到我的客户群体也在增加电流，因为他们必须达到特定的功率曲线。结果，可能电流保持不变，但电压飙升。所以现在我必须处理一些事情，比如如何将高电压的东西与高电流的东西隔离开来，以及如何处理继电器和它的所有机制。”

Swinnen说，未来还有一个不可忽视的高压电力问题。一旦所有的测试问题都解决了，数百万辆电动汽车上路了，如何向充电站供电呢?他说，中国在这个问题上可能领先于美国。

他解释说:“高压输电线路的两端越来越多地采用固态控制，而不是传统的变压器。”“中国在这方面做得很大，他们至少有10条这样的高压输电线路，将电力从产地输送到需要的沿海地区。美国目前还没有那么多这样的线路，但随着它试图至少在21世纪升级电网，这将包括远程高压线路，这也将刺激高压技术的整体发展。”

结论
“我们正处在流血的边缘，”Tran说。“但一旦经济开始稳定下来，每个人都开始重新思考经济学。”在这方面，这是测试行业的“回到未来”。大型测试公司的成立是为了缓解最初手工测试的瓶颈。现在，他们正在帮助简化电动汽车行业定制的尴尬局面。

Teradyne的Klatka表示:“如果你回顾一下大约五年前的情况，就会发现，对于许多离散部件的高压测试，更多的是‘选择自己的冒险’。”“现在，我们的客户已经超越了原型，每年生产数百万个零件，他们开始意识到，拥有一个考虑过系统和仪器设计方面的供应商是有价值的。”

-Ed Sperling对本文也有贡献。