WBG
太克推新參數測試系統 支援寬能隙製造
測試與量測解決方案供應商太克(Tektronix)日前發布了新款Keithley S530系列參數測試系統,以及 KTE 7 軟體和其他增強功能。S530 平台使半導體製造廠能為高速成長的新技術增添參數測試能力,同時有效地降低 CAPEX 投資,並顯著地提升每小時晶圓產量。總體擁有成本隨之降低後,將有助於製造商在競爭激烈的新市場中因應龐大的價格壓力。
奠基於新興寬能隙(WBG)技術的新型半導體產品(如GaN和SiC)有望達成更快的切換速度、更寬的溫度範圍、更好的電源效率以及其他優勢。為了滿足這些產品的測試需求,以 KTE 7 為基礎的 S530 平台提供了實驗室等級的量測效能,以及較短的設定和測試時間。隨著新應用的出現和需求的變化,高達 1100V的高速、全彈性的解決方案亦應運而生。這使晶片製造商能夠以最少的投資,在單一系統上利用最短的測試/設定時間,經濟高效地將其擴展至高速成長的電源和WBG裝置(包括汽車市場)中。
Keithley/Tektronix副總裁兼總經理Chris Bohn表示,類比和混合訊號半導體製造商在 5G 通訊、汽車、物聯網、醫療、綠色能源和其他市場中不斷面臨各種新型最終用途應用的旺盛需求。這個重要的測試平台更新有助於這些客戶能更快速、更具成本效益地將新產品推向市場,同時使他們能夠靈活地適應未來的新需求。
S530 系列的創新功能可在廣泛的產品組合中顯著提升測試儀的利用率,並輕鬆遷移現有的測試軟體、探棒卡和其他產品,同時提供完整的資料關聯性、有效提升測試速度。S530-HV 機型能夠在任何針腳上測試高達 1100V 的電壓,與電源和WBG應用中的其他競爭系統相較,可將輸送量提高50%以上。晶片製造商可以使用單一系統測試多種產品組合,包括根據 IATF-16949 品質管理標準的汽車產品。客戶可在內部進行校驗以盡可能地降低停機時間,也可以透過 Tektronix...
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。
寬能隙半導體普及在望 電源轉換損耗再創新低
據國際能源署(IEA)估計,2020年全球電能需求的峰值將達到30拍瓦(Petawatts),未來還會持續增加。電能來源可能是化石燃料或可再生能源,但無論如何,功率轉換裝置效率對於最大程度降低成本和電能損耗至關重要。
工業馬達消耗了50%以上全球能源,但是資料中心也非常耗電,而電動車(EV)充電亦對電網造成更大的負荷。電氣化的發展趨勢,已促使「更智慧」且耗電更少的創新技術蓬勃發展,但是電源轉換相關元件也須跟上步伐,其損耗必須再創新低。寬能隙半導體(WBG)將是實現此一目標的關鍵。
功率轉換器設計者的目標,是以最高效率將來自配電系統的電力轉換為不同的直流(DC)或交流(AC)電平。出於安全或功能層面考量,可能需要電氣隔離,並且輸出電壓可能要求更高或更低。目前業界最通用的功率轉換器,大多是採用開關模式來進行電源轉換。
最原始的雙極開關技術,目前已經被矽MOSFET所取代,IGBT則仍是高電壓/高功率應用的首選。但寬能隙半導體,如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),已成為轉換器拓撲架構中強有力競爭者。設計者通常會使用「諧振」型拓撲以獲得最佳效率,三相電橋則廣泛用於馬達控制。
無論採用何種拓撲架構,導通電阻和可能具有高瞬時值的開關轉換,都會造成損耗累積(圖1)。
圖1 在開關轉換期間,MOSFET峰值功耗可能在kW範圍內
半導體中開關損耗與每秒轉換次數成比例,因此低頻率下損耗更小。但是,開關頻率越高,電源設計者便可以使用體積更小、重量更輕且成本更低的電感器和電容器等被動元件,因此在實際中,開關頻率選擇是一個折衷方案,其開關頻率的範圍可以從馬達驅動器的數kHz,到資料中心的DC-DC轉換器的數MHz。
開關轉換期間的大量損耗,是由對元件電容(COSS)進行充電和放電所需能量(EOSS)引起。因此,EOSS、COSS以及導通電阻(RDS(ON)),都是開關元件性的關鍵參數。導通電阻與管芯面積乘積,即RDS(ON).A是總損耗的品質因數(FOM),電容及其相關開關損耗隨管芯面積減小而降低。
寬能隙材料特性擁有先天優勢
SiC和GaN等寬能隙半導體,需要相對較高能量才能將電子從其「價帶」移動到「導帶」。高能隙值會導致更高臨界鑿穿電壓和更低漏電流,尤其是在高溫下。WBG元件還具備更好電子飽和速度,從而導致更快轉換,而SiC擁有特別好導熱性。在圖2中將寬能隙特性與矽進行了比較,在所有狀況下,值都是越高越好。
圖2 寬能隙材料與矽材料的特性比較
對於給定厚度,寬能隙材料臨界擊穿電壓值比Si高10倍左右,因此SiC漂移層可以薄10倍,摻雜濃度可以是10倍。寬能隙材料與Si相較,能夠提供比Si低很多的導通電阻,並且相應降低同樣管芯面積的損耗。由於SiC具有高導熱性,所以管芯可以非常小,因而具備出眾RDS(ON).A(FOM)。圖3是在650V下SiC MOSFET、GaN HEMT單元、Si MOSFET和IGBT的RDS(ON).A比較。
圖3 在相同電壓下,WBG和矽材料之間的RDS(ON).A比較
SiC和GaN大大降低了對閘極驅動功率要求。Si MOSFET和IGBT特別需要大量閘極電荷才能有效開關。對於較大IGBT,這可能需要數瓦驅動功率,從而導致系統損耗。對於WBG元件,即便在高頻下,損耗僅是毫瓦級。
WBG元件還有其它優勢:相較矽元件,可以在更高溫度下運作,最高可超過500℃。儘管封裝限制了實際操作值,但高峰值容量顯示了可用餘量。相較矽元件,WBG閘極洩漏和導通電阻隨溫度變化也要小很多。
成本降低提高WBG元件吸引力
WBG元件成本一直高於矽,但卻在逐步降低,而連鎖式系統優勢在很大程度上抵消了這一點。例如,隨著效率提高,其他部件(例如散熱器)以及濾波器中的電感器和電容器尺寸、重量和成本也相應減小。更快的開關速度,使電源系統對負載變化的回應變得更快,馬達控制也更平滑,也讓基於WBG元件的電源系統變得更有吸引力。
總體而言,使用WBG元件帶來的優勢意味著可以將它們用於電源轉換的任何新應用,設備製造商也在不斷完善技術,從而使元件易於使用且堅固耐用,尤其是在短路和過電壓等故障條件下。英飛凌(Infineon)選擇了一種溝槽架構(圖4左),可在低閘極電場強度下實現低溝道電阻,從而提高了閘極氧化物介面之可靠性。該公司的增強型GaN高電子移動率電晶體(HEMT)元件則採用平面架構(圖4右),並且與SiC FET不同,它們沒有本體二極體(Body Diodes),使其特別適合於「硬開關」應用。GaN元件額定電壓為600V,而SiC額定電壓則為1,200V或更高,但在特定電壓額定值下,GaN RDS(ON)理論極限約比SiC好10倍。
圖4 英飛凌的SiC(左)與GaN(右) FET結構對照
意法半導體(ST)則宣稱其1,200V SiC MOSFET具有業界最高額定溫度200℃,並且在溫度範圍內具有同類領先極低導通電阻。非常快速且堅固的本體二極體避免了外部二極體需求,從而節省了馬達驅動器等應用中換向電路空間和成本。
羅姆(ROHM)在SiC MOSFET市場中也有產品供貨,其最新元件具備高成本效益和突破性能。ROHM據稱開發了業界首款具有共封裝(Co-packaged)的反平行SiC肖特基屏障(Schottky Barrier)二極體SiC MOSFET,可滿足要求苛刻的換向開關應用要求。
WBG市場上的另一家供應商GaN Systems,則專注於其獲得專利的封裝技術,從而可最大限度地利用GaN速度和低導通電阻。其「島嶼技術(Island Technology)」將HEMT單元矩陣與橫向佈置金屬條垂直連接,以降低電感、電阻、尺寸和成本。此外,該公司GaNPX封裝技術沒有引線鍵合,可提供最佳熱性能,高電流密度和低外形。
GaN市場的一家先驅公司Panasonic推出了擁有專利技術的X-GaN元件,以實現「常關」運作而不會出現GaN中的「電流崩塌(Current Collapse)」現象,這種效應源於汲極和源極之間捕獲電子在施加高壓期間可以暫態增大導通電阻,可能導致設備故障(圖5)。Panasonic閘極注入電晶體(GIT)技術能夠產生真正的「常關」 GaN元件,可用與Si MOSFET電平相容的閘極電壓來驅動。
圖5 Panasonic GaN單元不會有「電流崩塌」現象出現
WBG元件普及可期
WBG在功能層面勝過矽,當下的應用障礙只是成本、易用性和所展示的可靠性。WBG元件製造商已經在解決這些問題,並且大規模生產已成為現實,預期在所有市場領域中都有積極應用。
(本文作者任職於貿澤電子)
意法收購Exagan 擴展GaN應用布局
意法半導體(ST)日前宣布已簽署收購法國氮化鎵(GaN)創新企業Exagan多數股權的併購協定。Exagan的磊晶製程、產品研發和應用經驗將拓展並推動意法半導體之車用、工業和消費性功率GaN的研發和業務。Exagan將繼續執行現有產品規畫,意法半導體則將為其部署產品提供支援。
意法半導體總裁暨執行長Jean-Marc Chery表示,意法半導體的碳化矽發展布局具備強大動能,現在該公司正擴大對另一種前景看好之複合材料—氮化鎵的投入,以促進車用、工業和消費性市場客戶採用GaN功率產品。收購Exagan的多數股權可強化該公司在全球功率半導體市場的地位,同時也是對於GaN長遠規畫、生態系統和業務向前邁出的另一步。這是目前與CEA-Leti在法國圖爾的開發專案,還有近期宣布與台積電合作專案的另一個成果。
氮化鎵(GaN)屬於寬帶隙(Wide Bandgap, WBG)材料家族,其中包括碳化矽。GaN基板材料是高頻功率電子元產業的一大進步,其效能和功率密度優於矽基電晶體,GaN基板元件節能省電、縮減系統大小,適合各種應用,例如伺服器、電信/工業用功率因數校正和DC/DC轉換器;同時包含電動汽車車載充電器/車規DC-DC轉換器及電源適配器等個人電子應用。