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[獨家訊息] 如何在功率半導體/寬能隙半導體材料-氮化鎵(GaN)操作(switching)狀態下執行動態測試?
2020-10-05

如何在元件操作(switching)狀態下執行5G時代功率半導體/寬能隙半導體材料-氮化鎵(GaN)動態測試分析?

How to measure dynamic Rdson, dynamic Vth from trapping effect of GaN?

本文要跟您分享我們的氮化鎵(GaN)動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer) 以及 即將發行的元件動態可靠度分析儀(Device Dynamic Reliability Analyzer)!

   功率半導體/寬能隙半導體材料氮化鎵(GaN)支持大電壓和高切換速度,面對高壓、高流的測試要求,我們獨家代理販售「元件動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer)」,來解決在元件操作(switching)狀態下執行氮化鎵(GaN)動態參數分析的困難。

  隨著5G、電動車等新應用興起,氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等第三代半導體材料/功率半導體材料開始備受矚目。如何在更小的體積內,提供更高的功率?例如 USB-PD 及 QC 等應用,需要為行動裝置,提供快速充電的能力。然而變壓器的設計中,電感/線圈及散熱片佔據了大多數的體積,若要縮小線圈及散熱片的體積,必須提高轉換的頻率及轉換的效率,因此使用氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等第三代半導體/功率半導體是一個必然的趨勢。
 

  碳化矽(SiC)和氮化鎵 (GaN) 等全新寬帶隙材料/功率半導體能夠支持大電壓和高切換速度,面對高功率元件高壓、高流的測試要求,我們獨家代理販售「元件動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer)」,來解決在元件操作(switching)狀態下執行氮化鎵(GaN)動態參數分析的困難,提供晶圓和封裝元件動態參數及可靠度測試:

氮化鎵GaN元件動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer)產品特色

■ 可以在hard-switching 或 soft-switching下執行動態量測
■ Dynamic Rdson(HSW, ZVS), Dynamic Rsdon(ZVS), Dynamic Vth, Dynamic Vsd, Dynamic HTOL (SALT)…
■ 提供On-Vg : 0-12V連續變化,可隨著不同DUT Gate Rating做適當調整
■ 提供10kHz~500kHz 可調操作頻率
■ 提供10%~90% 可調操作Duty
■ Pulse I-V 脈衝寬度可達到1us
■ 高低溫測試功能 (25C~175C)

什麼氮化鎵(GaN)?

氮化鎵(GaN、Gallium nitride)是氮(N)和鎵(Ga)的化合物,屬於第三代半導體材料,又被稱為「WBG 寬能隙半導體」或「功率半導體」。

註:第一代半導體材料:矽(Si)等基礎功能材料;第二代:砷化鎵(GaAs)等兩種以上元素組成的化合物半導體材料、第三代即為氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)等寬頻化合物半導體材料。

氮化鎵(GaN)有什麼特色?

相較第一、二代半導體材料,氮化鎵(GaN)帶隙較寬,帶隙越寬越可以承受高溫、高壓、高頻以及高電流,除此之外,能源轉換效率也較好。因此可以說氮化鎵(GaN)是具有高頻、高功率、低功耗、體積小四種優良特性的半導體材料,能有效在5G的時代中節省電路板體積,以手機產品來說,不止節省內部空間還能達到良好的功耗控制

氮化鎵(GaN)的應用:微波射頻、電力電子兩領域

1.       微波射頻:Sub-6GHz基地台和毫米波 (24GHz以上) 的小基地台站、衛星通訊等。
由氮化鎵GaN製作而成的元件在高頻時效能及穩定度都頗高,相對於傳統的矽(Si)元件,氮化鎵 (GaN) 有更高的工作頻率及高密度功率的特性,能讓週邊元件的尺寸也跟著縮小,這也和未來5G基地台密度高的特性相符。
 
2.       電力電子:GaN應用電源、消費型電子產品的快充充電器等。
託小米CEO的福,從2020年開始新一代氮化鎵 (GaN) 充電器掀起一波風潮,許多手機大廠開始在自家充電產品中加入GaN晶片。現代人手邊的行動裝置越來越多,隨著裝置的效能增加,對電力的要求也越來越高,消費者除了希望充電速度更快、續航力更高之外,也希望能夠方便攜帶。然而這些需求為氮化鎵(GaN)打造了發展的舞台,其體積小與高功率的優勢,充分符合方便攜帶條件下獲得高瓦數的輸出的需求,非常適合使用在快充充電器中。

氮化鎵 (GaN) 動態量測上的困難:

坊間尚無元件操作(switching)狀態下執行GaN動態參數特性及可靠度測試的解決方案

以材料特性來看,氮化鎵 (GaN) 適合應用於 40~1200V 的產品,並且在 600V/3KW 能發揮最大優勢,目前市面上最高的投片是650V,例如台積電、VIS、UMC、英諾賽科等。然而,我們所代理的氮化鎵 (GaN) 元件動態參數分析系統可在元件switching操作狀態下完成動態Rdson (HSW,ZVS),動態Rsdon (ZVS),動態Vth等「動態dynamics」參數測試,這也讓我們的產品受到台積電、聯電、英諾賽科等大廠的青睞。

我們提供的氮化鎵 (GaN) 元件動態參數分析系統規格如下,脈衝寬度可達到1us:

◆    Switching On-Vg : 1V~12V for device benchmark
◆    Switching Voltage : <800V
◆    Switching Current : <10A
◆    Switching Frequency : <500kHZ
◆    Switching Duty : 10%~90%
◆    Temperature : 25C~175C
◆    Characterization Items : Dynamic Rdson(HSW, ZVS), Dynamic Rsdon(ZVS), Dynamic Vth, Dynamic Vsd, Dynamic HTOL (SALT), Pulse I-V…

我們的氮化鎵 (GaN) 元件動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer)擁有三項專利:

1.     在hard-switching 或 soft-switching下執行動態分析(Dynamics under hard switching or soft switching)
➢    Trapping induced Rdson increasing during switching
➢    Hard switching worse than Soft switching (ZVS)
➢    Switching Voltage dependent

2.     Gate 操作電壓0-12V連續變化,可以隨著不同DUT Gate Rating做適當調整
(Switching On-Vg : 1V~12V for device benchmark)
 
3.     在hard-switching 或 soft-switching下執行動態Vth分析
(Dynamic Vth under hard switching or soft switching)
 
除了氮化鎵 (GaN) 元件動態參數分析儀(Device Dynamics Analyzer)之外,預計明年初我們將會推出元件動態可靠度分析儀(Device Dynamic Reliability Analyzer)可以同時測試多個GaN元件的動態特性,顛覆傳統的單顆GaN DUT動態參數分析,進而達到同時多個GaN元件在操作(swtiching)下的動態量測的效果。

我們的元件動態可靠度分析儀(Device Dynamic Reliability Analyzer)特色:

1.     同時量測多個GaN 元件(Multi-DUT in parallel) 動態參數,例如Dynamic Rdson degradation
2.     溫度、電壓、電流、頻率、開關比(Duty) 皆可獨立測試 (5 independent parameters acceleration MTTF)
3.     HSW & ZVS available


 
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