通過(guò)測(cè)試和測(cè)量持久力來(lái)評(píng)估電子設(shè)備的質(zhì)量和耐用性。評(píng)估氮化鎵 (GaN)價(jià)值的測(cè)試勢(shì)在必行，因?yàn)樗哉Q生以來(lái)就具有巨大的潛力，可以實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換，作為電力電子應(yīng)用中的關(guān)鍵顛覆者?；?GaN 的開(kāi)關(guān)的特性，例如高電子遷移率、寬帶隙、高擊穿場(chǎng)和低得多的導(dǎo)通電阻，鼓勵(lì)電源設(shè)計(jì)工程師開(kāi)始考慮改進(jìn)電源轉(zhuǎn)換可以提供的無(wú)限可能性。然而，在電子領(lǐng)域，性能必須伴隨著穩(wěn)定性和可靠性，否則，它將永遠(yuǎn)是研究人員的夢(mèng)想。

泰克和吉時(shí)利在應(yīng)對(duì)測(cè)試和測(cè)量挑戰(zhàn)方面經(jīng)驗(yàn)豐富，從采用 GaN 半導(dǎo)體的早期階段開(kāi)始，我們就一直面臨著測(cè)試 GaN 半導(dǎo)體的任務(wù)。我們的客戶開(kāi)始在多個(gè)方面與我們合作，從材料表征到設(shè)備認(rèn)證規(guī)則咨詢。

最初的想法是檢查是否可以節(jié)省資金，并將已經(jīng)用于硅基晶體管、MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和超級(jí)結(jié) MOSFET 的設(shè)備用于 GaN 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

然而，很明顯，以前被認(rèn)為不相關(guān)的許多方面現(xiàn)在至關(guān)重要，并且可能影響測(cè)量。這需要對(duì)我們進(jìn)行電力電子測(cè)量的方式進(jìn)行修訂和重新發(fā)明。

下載我們的 GaN 和 SiC 技術(shù)電子書(shū)

需要合適的測(cè)試解決方案

一旦 GaN 開(kāi)始成為電源轉(zhuǎn)換器（跨多個(gè)行業(yè)、應(yīng)用和轉(zhuǎn)換階段的先驅(qū)設(shè)計(jì)師）的首選半導(dǎo)體，對(duì)適當(dāng)測(cè)試解決方案的推動(dòng)就變得更加強(qiáng)烈，同時(shí)對(duì)快速、可靠和具有成本效益的解決方案的需求也在增加。與其他半導(dǎo)體技術(shù)相比，GaN 性能更強(qiáng)的一些問(wèn)題的快速概覽。關(guān)于這些寬帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)和特性的文獻(xiàn)已經(jīng)很多，所以我將直接關(guān)注測(cè)試和需求。

可靠性和制造工藝

新半導(dǎo)體技術(shù)的問(wèn)題通常始于晶圓制造工藝級(jí)別。電壓應(yīng)力下的可靠性是我們?cè)?a target="_blank">射頻功率 GaN 制造應(yīng)用中使用 GaN 技術(shù) WLR 進(jìn)行的第一項(xiàng)測(cè)試。這些器件可以具有更小的柵極寬度和長(zhǎng)度以及更短的源極至漏極距離。要跟蹤的典型參數(shù)包括電壓應(yīng)力下柵極、漏極和源極的漏電流、應(yīng)力電流、最大擊穿電壓、閾值電壓和導(dǎo)通電阻。

設(shè)備輸出特性是在不同溫度下測(cè)量的，需要我們的參數(shù)分析儀進(jìn)行調(diào)整。在正式的資格審查程序發(fā)布之前，它已經(jīng)完成。因此，整個(gè)過(guò)程必須保持完全的適應(yīng)性和可編程性。我們還必須設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新的 S540 系統(tǒng)，以克服該測(cè)試中包含高壓的問(wèn)題。

我們必須克服的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括：

在使現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備不足之前，柵極閾值電壓可以下降多少？

在意識(shí)到測(cè)量讀數(shù)產(chǎn)生巨大的不準(zhǔn)確度并影響可信度之前，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度應(yīng)該有多快，死區(qū)時(shí)間控制有多嚴(yán)格？此外，高壓方面。這通常是“IGBT”團(tuán)隊(duì)會(huì)處理的事情，但是，我們必須了解如何處理這些模擬充電器的大電容器。

另外，當(dāng)電壓達(dá)到千伏范圍時(shí)會(huì)發(fā)生什么變化？

工程師們正在努力解決各種問(wèn)題，例如：

這個(gè)怎么聯(lián)系？

如何給它加電？

測(cè)試設(shè)備對(duì)測(cè)量有什么影響嗎？

幸運(yùn)的是，他們意識(shí)到與測(cè)試和測(cè)量專家保持持續(xù)溝通的重要性，并且能夠在足夠的支持下比其他人更接近故障排除結(jié)論。

氮化鎵二極管擊穿電壓和漏電流測(cè)試

GaN 快速二極管的供應(yīng)商聯(lián)系了我們，要求改進(jìn)他們正在使用的現(xiàn)有曲線示蹤劑。連接擊穿電壓和泄漏電流等測(cè)試，因?yàn)橛脩敉ǔＰ枰谔峁┢秒妷旱耐瑫r(shí)監(jiān)控泄漏電流，直到達(dá)到 DUT 擊穿為止。

然后我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)像新的 2470 這樣的高壓 SMU，以小步長(zhǎng)掃描偏置電壓直到 1.1kV，同時(shí)以足夠的精度測(cè)量泄漏電流。我們還必須提供 SMU 以在柵極外傾斜，電壓水平準(zhǔn)確且穩(wěn)定，以便在測(cè)量柵極泄漏時(shí)報(bào)告。使用新的入口介電絕緣體將泄漏電流降至比以前低得多的水平（10 的 nA 范圍），因此需要（10 的 fA）分辨率。

2470 探針臺(tái)

尋找 GaN 器件的最佳“版本”嚴(yán)格依賴于柵極界面的介電材料選擇。研究需要追求最低的漏電流（如上所述），同時(shí)控制半導(dǎo)體界面的密度并仔細(xì)監(jiān)測(cè)電介質(zhì)和基板之間的充電行為。所有這些都需要精確的 CV（電容電壓）測(cè)量，以確定平帶電壓、閾值電壓、固定電荷和介電半導(dǎo)體界面陷阱電荷，C-V 特性與 IV 特性一樣重要。

當(dāng)準(zhǔn)確勾勒出 GaN 的固有特性時(shí)，我們必須優(yōu)化我們的參數(shù)分析儀。

例如，我們必須改進(jìn)我們的 C-V 特性追蹤能力，以顯示適當(dāng)?shù)暮谋M深度剖面并推斷高電子遷移率的正確行為。

我們的 Keithley 業(yè)務(wù)部門(mén)努力開(kāi)發(fā)用作精密交流阻抗計(jì)的解決方案，采用我們的 4200A 半導(dǎo)體表征系統(tǒng)來(lái)測(cè)試動(dòng)態(tài)能量崩潰和陷阱密度/行為。

切換時(shí)的挑戰(zhàn)

我們必須證明 GaN 對(duì)操作方面的影響。GaN 器件不僅調(diào)整速度快，而且恢復(fù)時(shí)間幾乎為零，在大多數(shù)情況下與溫度無(wú)關(guān)。通過(guò)提供與 DUT 的正確連接，特別是與測(cè)量點(diǎn)的連接，在示波器屏幕上清楚地看到這一點(diǎn)至關(guān)重要。

我們必須通過(guò)確保高開(kāi)關(guān)時(shí)間和規(guī)格要求的低損耗來(lái)為功率模塊的非侵入性測(cè)試提供解決方案，以便在半導(dǎo)體元件供應(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)者之間發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)時(shí)得到證明。

評(píng)估印刷電路板 (PCB) 設(shè)計(jì)的布局時(shí)，開(kāi)關(guān)期間的典型測(cè)量包括上升和下降時(shí)間、峰值過(guò)沖、下沖和預(yù)期的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上升沿振鈴頻率。由于 GaN 將工作頻率移得更高，典型電源設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中使用的示波器的 300-500MHz 帶寬是第一個(gè)造成瓶頸的地方。由于使用中的高壓差分探頭具有更低的帶寬（最大 200MHz），情況進(jìn)一步惡化。眾所周知，測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際帶寬是示波器+探頭特性的組合。一旦接受了上移到 GHz 帶寬空間的需求，我們就必須應(yīng)對(duì)探測(cè)技術(shù)的影響。

電源工程師意識(shí)到探頭輸入電容、接地回路和寄生效應(yīng)的影響。然而，他們并沒(méi)有想象在轉(zhuǎn)移到 GaN 開(kāi)關(guān)頻率空間時(shí)這些會(huì)發(fā)揮多大作用。更不用說(shuō)地線本身的電感經(jīng)常迫使他們解決由測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的鬼影造成的不存在的問(wèn)題。

我們泰克必須提出一種完全革命性的連接和測(cè)試點(diǎn)選擇方法。

我們確保測(cè)量點(diǎn)盡可能靠近電源設(shè)備，并允許探頭在同一時(shí)間連接到超微型設(shè)備。引線被縮短，正好與探針尖端呈現(xiàn)的相同寄生問(wèn)題形成對(duì)比。

然而，GaN 測(cè)量的主要挑戰(zhàn)是需要對(duì)非接地參考點(diǎn)進(jìn)行高頻測(cè)量。事實(shí)證明，所有用于確保差分測(cè)量的現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于 GaN 都是不準(zhǔn)確的。選擇是在接受測(cè)量結(jié)果的巨大誤差和最終通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)共模抑制比 (CMRR) 可以在高頻下保持足夠高的系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。再一次，市場(chǎng)上沒(méi)有這種東西。

泰克開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)專利，可以對(duì)存在大共模電壓和快速邊沿速率信號(hào)以及大輸入阻抗和低輸入電容的電路進(jìn)行隔離測(cè)量。高 CMRR 隔離測(cè)量系統(tǒng)終于成為可能。

解決的最后一個(gè)方面是 GaN 閾值電壓，它很小，即使在抑制共模噪聲之后，我們也必須確定如何在具有足夠動(dòng)態(tài)分辨率的龐大共模電流之上查看它們。

重新設(shè)計(jì)了示波器的前端。典型電力電子示波器 ADC 的 8 位分辨率對(duì)于 GaN 技術(shù)來(lái)說(shuō)太有限了。示波器市場(chǎng)接受了升級(jí)到具有高達(dá) 12 位分辨率的更高分辨率 ADC 以及超低噪聲前端的需求。由于 GaN 器件導(dǎo)通電阻測(cè)量的大幅減少，因此很有必要。用戶現(xiàn)在可以有效地證明他們的實(shí)驗(yàn)室可以在不同的開(kāi)關(guān)和芯片尺寸上測(cè)量亞毫歐。

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其他方面

出于多種原因，設(shè)備應(yīng)正確接地，但安全是最重要的一個(gè)。保護(hù)是實(shí)驗(yàn)室和工程團(tuán)隊(duì)主管表達(dá)的第一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)操作員需要調(diào)整任何連接時(shí)，安全聯(lián)鎖是 GaN 器件高壓特性分析的一項(xiàng)重要要求，以斷開(kāi)任何高壓電源。隨測(cè)試系統(tǒng)提供的電纜還必須滿足不同于低壓空間的安全標(biāo)準(zhǔn)。

在我們的高壓示波器探頭中采用光電隔離也支持了這一方面，因?yàn)椴辉傩枰褂酶綦x變壓器來(lái)為機(jī)器供電。然而，光電壓轉(zhuǎn)換器阻止了任何危險(xiǎn)的電氣路徑，并允許使用很長(zhǎng)的引線（幾米長(zhǎng)的光纖，如有必要）以遠(yuǎn)離潛在危險(xiǎn)的 DUT。

把這一切放在一起

采用寬帶隙半導(dǎo)體一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，但對(duì)于電源轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，滿足前所未有的能效要求是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。

從電機(jī)驅(qū)動(dòng)到汽車轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)中心的多個(gè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)方面都受到了積極的影響和轉(zhuǎn)變。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，電力電子設(shè)備的這些顛覆性改進(jìn)可能會(huì)影響設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試實(shí)驗(yàn)室工具的擁有成本。規(guī)格的轉(zhuǎn)變需要工程師更新他們的一些實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備，這也是一個(gè)需要考慮的成本項(xiàng)目，作為遷移到 GaN 的決定的一部分。

總之，這導(dǎo)致了電力電子測(cè)試領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。泰克和吉時(shí)利決定以客戶為中心來(lái)應(yīng)對(duì)電力電子技術(shù)的轉(zhuǎn)型變革。我們?cè)O(shè)定的目標(biāo)是彌合新的和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備解決方案、新的和現(xiàn)有的計(jì)量基礎(chǔ)知識(shí)以及有效管理當(dāng)前投資和資金之間的差距。我們希望成為下一次革命不可或缺的一部分。

審核編輯 黃昊宇