ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
ETNdigi-superbanner
2026  # megabox

IN FOCUS

3D-piirit pakottavat suunnittelun huomioimaan lämmön, tehon ja mekaniikan

3D-IC-arkkitehtuureihin siirtyville suunnittelutiimeille suorituskyvyn ja luotettavuuden jatkuva parantaminen tuo mukanaan tuttuja mutta yhä monimutkaisempia haasteita: miten hallitaan tehonkulutusta, poistetaan lämpöä ja otetaan huomioon erilaisten fysikaalisten ilmiöiden monimutkainen vuorovaikutus pinotuissa rakenteissa?

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF25 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan
  • Aku Wilenius, CN Rood
  • Tiitus Aho, Tria Technologies
  • Joe Hill, Digi International
  • Timo Poikonen, congatec
  • ECF25 panel
ECF24 videos
  • Timo Poikonen, congatec
  • Petri Sutela, Testhouse Nordic
  • Tomi Engdahl, CVG Convergens
  • Henrik Petersen, Adlink Technology
  • Dan Still , CSC
  • Aleksi Kallio, CSC
  • Antti Tolvanen, Etteplan
ECF23 videos
  • Milan Piskla & David Gustafik, Ciklum
  • Jarno Ahlström, Check Point Software
  • Tiitus Aho, Avnet Embedded
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Pasi Suhonen, Rohde & Schwarz
  • Joachim Preissner, Analog Devices
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Xiphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

ETN

Sep # TME square
TMSNet  advertisement
ETNdigi
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Share on Facebook Share on Twitter Share on LinkedIn

Gallimnitridi tuo laatua, kestävyyttä ja luotettavuutta

Tietoja
Julkaistu: 16.12.2024
Luotu: 16.12.2024
Viimeksi päivitetty: 27.08.2025
  • Devices
  • Power

Gallium-nitridi (GaN) tarjoaa merkittäviä etuja tehokkuuden ja tehotiheyden lisäämisessä, mikä mahdollistaa suunnittelijoille huomattavasti haastavampien virtalähdemääritysten täyttämisen verrattuna piipohjaisiin MOSFET-komponentteihin. Yksi kohtuullinen huolenaihe minkä tahansa uuden, merkittäviä etuja tarjoavan teknologian suhteen on sen kestävyys ja luotettavuus. Poistaaksemme mahdolliset epäilykset, joita käyttäjillä saattaa olla, tarkastellaan GaN-teknologian kestävyyttä, luotettavuutta ja laatua.

GaN-teknologialla ei virtamuunnossovelluksissa ole yhtä pitkää historiaa kuin piillä. Siitä huolimatta laitteiden vikaantumisnopeuden ajan funktiona esittävä "kylpyammekäyrä" on hyvin vakiintunut ja useat yritykset ovat osallistuneet sen yksityiskohtien tarkentamiseen uusien GaN-komponenttien osalta. Tämä käyrä on hyödyllinen visualisointityökalu luotettavuusinsinööreille ja kulumismallinnukseen, ja sen avulla voidaan havainnollistaa, miksi vikoja esiintyy sekä miten niitä voidaan ennustaa ja ehkäistä.

"Kylpyamme" viittaa tietysti käyrän muotoon. Alla olevan Kuvan 1 x-akseli edustaa aikaa logaritmisessa mittakaavassa, ja y-akseli vikaantumistodennäköisyyttä. Vihreä viiva – kylpyammekäyrämme – kuvaa tyypillisen tuotteen vikaantumisnopeutta ajan kuluessa. Tuotteen elinkaaren alkuvaiheessa viat liittyvät pääasiassa valmistusvirheisiin. Keskialueella ovat laitteet, jotka on valmistettu hyvin, eivätkä ne ole vielä kuluneet loppuun, mutta ne vikaantuvat silti, yleensä ylikuormituksen takia. Tämän jälkeen, ajan kuluessa, osat kuluvat loppuun ja vikaantumisen syy liittyy käyttöiän rajoitteisiin.

Käyttöikä

Kun tarkastellaan kaukana tulevaisuudessa tapahtuvia vikoja, haasteena on, että käyttäjät eivät voi odottaa esimerkiksi 100 000 tuntia (11 vuotta) tai vuosisataa, eli miljoonaa tuntia, laitteen vikaantumista ennen kuin kulumismekanismeja voidaan tutkia. Integroituja piirejä koskevissa testeissä käytetään ajan nopeuttamiseksi testiä nimeltä High Temperature Operational Life (HTOL). Tämä hyödyntää fyysisten järjestelmien taipumusta muuttua nopeammin lämpötilan, voimakkaiden sähkökenttien ja vapaiden ionien (kosteuden ja metallimigraation) vaikutuksesta, kiihdyttääkseen laitteen testaamiseen liittyvien ajan ja käytön vaikutuksia. Yllättävän pieni määrä komponentteja (48 kaupallisissa sovelluksissa ja 77 autoalalla), joita testataan yli 1000 tunnin ajan kiihdytetyissä olosuhteissa, tarjoaa tarvittavat tiedot vikaantumistodennäköisyyden määrittämiseksi normaaleissa olosuhteissa usean vuoden ajalta. Testi suoritetaan useilla laitesarjoilla prosessiriippuvuuksien paljastamiseksi. Toinen testi, nimeltään HALT (Highly Accelerated Life Test), suoritetaan vastaavasti lisätyssä kosteudessa, mutta hieman matalammassa lämpötilassa.

Artikkeli on ilmestynyt uusimmassa ETNdigi-lehdessä, jota pääset lukemaan täällä.

https://issuu.com/etndigi/docs/etndigi-2-2024?fr=sZDdmMjYzODA2OTc

Tässä Doug Baileyn kirjoittama artikkeli kokonaisuudessaan englanniksi:

 

GALLIUM NITRIDE - QUALITY, ROBUSTNESS AND RELIABILITY

Gallium nitride (GaN) offers significant benefits in terms of increased efficiency and power density, allowing designers to meet far more challenging power supply specifications compared to silicon MOSFETs. One reasonable concern regarding any new technology that offers game-changing benefits is its robustness and reliability. To address any doubts potential users may have, let’s discuss the robustness, reliability, and quality of GaN.

GaN, as a power conversion technology, does not have as long a pedigree as silicon. Even so, the bathtub curve as a representation of the failure rate of a device over time is certainly very well established and multiple companies have contributed to fleshing out the details as they pertain to the new GaN devices. It is a useful visualization tool for reliability engineering and deterioration modeling, and serves as a clear mechanism to discuss why failures occur and how to predict and prevent them.

‘Bathtub' of course, refers to the shape of the curve. The x axis in Figure 1 (below) is the log of time, and the y axis is the probability of failure. The green line – our bathtub curve - is the rate of failure of a typical product over time. In the early phase of a product's life, failures are mainly quality-related due to manufacturing defects. In the center zone, there are devices that were well manufactured, and that haven't yet worn out, but they failed anyway, typically because these parts have been overstressed. Then, after some time, parts wear out, so the failure mode is due to lifetime issues.

LIFETIME

If we consider failures in the far distant future, the challenge is that users can’t wait for, say, 100,000 hours (11 years), or a century, one million hours, for a device to fail before the wear-out mechanisms can be investigated. To accelerate time for the purposes of IC testing, a test called High Temperature Operational Life (HTOL) is employed. This leverages the tendency of physical systems to change faster with temperature, under strong electric fields and in the presence of free ions (humidity and metal migration), to accelerate the effects of time and use on the devices under test. Surprisingly, a relatively few parts (48 for commercial and 77 for automotive) when tested with acceleration over 1000 hours provide the information that we need to determine the probability of failure in many years under normal conditions. The test is run on multiple batches of devices to expose any process dependency. Another test, called HALT (highly accelerated life test), applies a similar test under increased humidity but at a slightly lower temperature.

These tests are standard procedure for analog integrated circuits. But because GaN is a new technology, users and manufacturers must make doubly sure that the GaN switch inside the IC is robust and will have a long life, and there are tests specifically designed for discrete transistors called HTRB (high temperature reverse bias) and HTGB (high temperature gate bias) which address this. HTRB and HTGB test the device for 1000 hours at elevated temperatures under a DC voltage stress to make sure there are no migration issues, or long term degradation mechanisms associated with high voltage operation at high temperature. Hot Carrier Tests (HCI) are also performed to find any places where electrons in the channel can get diverted into oxide layers and become trapped. Electro-migration testing makes sure that the metal conductors on the top of the die are appropriately sized for the current that they carry. And gate oxide integrity tests prove the strength of the gate. All these tests are performed on devices intended for industrial and commercial customers.

Of course, GaN is also very suitable for the automotive market, which is even more demanding. So in addition to the usual tests just described, for automotive devices we run more tests, primarily H3TRB, which increases the humidity and temperature demands above the standard HTRB. Then we run a series of tests that are designed to switch the part on and off multiple times to prove that the devices are immune to the thermal shock of being switched on. These tests are called Power Temperature Cycling and Intermittent Op Life - the latter was originally a military test. As well as stressing the devices to a higher level, automotive tests are carried out on a larger sample size than for commercial and industrial parts.

MANUFACTURING QUALITY

So much for the long term; we also need to address manufacturing quality problems that can cause parts to fail in early life. Power Integrations’ quality policy is to prevent any of these parts from entering the product stream. You might think that a robust final test of finished products would catch all of the mis-manufactured devices, and that is certainly an important part of it. However, in order to create an essentially perfect product stream, we work hard to screen out substandard material in prior manufacturing steps – using so-called “process monitors”. These monitor tests reduce the number of parts with latent defects that make it into final test and are critical for improving final product quality.

Power Integrations regards epitaxially grown GaN (EPI) as the critical stage in GaN transistor design and production. Because of this, we make our own EPI – we don’t buy it, nor finished wafers, from a third party. Therefore we have complete control over the process, and we can check it continuously. This means that only the best wafers make it through to patterning. After a wafer has been patterned into transistors, we run stress tests to identify parts that are faulty or have a risk of a quality problem.

To validate that our process monitors, our yield improvements and our final test regime yield a perfect product stream, a test called ELFR (Early Life Failure Rate) is used. ELFR is analogous to the High Temperature Op Life (HTOL) test. But instead of doing a small number of parts for a long time, we do a large number of parts for a relatively short time - 800 parts for 48 hours, across multiple IC lots to ensure that any process dependencies are exposed.

OVERSTRESS

We've spoken about reliability and wear out mechanisms and how to guarantee initial quality. But what happens in the middle section of our bathtub curve? These are parts that have been manufactured perfectly. They haven't worn out yet, yet they are dead anyway due to overstress.

To ensure that our devices are robust under the temperature, voltage and humidity conditions that they will be exposed to during their operational life, we run more tests. These are:

  • MSL - moisture sensitivity level
  • UHAST - also a moisture test, but under pressure
  • TMCL - a temperature cycling test which tests for differential heating and cooling and
  • HTSL - high temperature storage life which is the absolute high temperature test

One of the most important attributes of a power semiconductor is its ability to withstand voltage. Power Integrations specifies three types of GaN, with BVs (breakdown voltages) of 750 V, 900 V and 1250 V. However, even though we talk about BV for convenience, GaN transistors are not specified in the same way as a silicon device. There's a property of GaN called dynamic RDS(ON) which actually increases when high voltage is applied. It recovers later, but under the initial voltage, and for a short while afterwards, it is higher than the typical value.

Power Integrations has chosen 5% as being the limit that we can accept as an increase in RDS(ON). This determines the datasheet ‘BV’ of our GaN devices. We choose the conservative values noted above for the datasheet specification, but actual breakdown does not occur until around 1400 V for the lower voltage families and 2200 V for the 1250 V product line – in all cases, a massive margin with respect to the datasheet BV limits. It’s unwise to design systems to use the devices above the datasheet BV, but this headroom is very useful insurance against infrequent line swells and surges, such as lightning strikes.

CONCLUSION

With this battery of tests process monitors for initial quality, voltage margin to allow for overstressing, wear-out mechanisms that ensure reliability, plus tests related to temperature and moisture sensitivity - whether you're making a smart phone adapter or an automobile, you can have confidence in PowiGaN, Power Integrations’ GaN technology.

 

MORE NEWS

Neliömillin piiri korvaa joukon komponentteja

Renesas on tuonut markkinoille vain hieman yli neliömillimetrin kokoisen konfiguroitavan sekasignaalipiirin. Uusi GreenPAK SLG46801 voi korvata useita erillisiä analogia-, ajoitus- ja logiikkakomponentteja esimerkiksi älysormuksissa, kelloissa ja muissa pienissä puettavissa laitteissa.

Audit ajavat itse junaan suomalaisella tekniikalla

Suomalainen Unikie on vienyt autonomisen ajamisen aivan uuteen ympäristöön. Yhtiön tekniikalla autot ajoivat ilman kuljettajaa junavaunuihin Audin Ingolstadtin tehtaalla Saksassa. Unikien mukaan kyseessä oli maailman ensimmäinen henkilöautojen automaattisen junalastauksen demonstraatio.

Donut Labin akku ei perustu litiumiin eikä natriumiin

Donut Labin kohuakun kemiaa on arvuuteltu siitä lähtien, kun yritys esitteli ihmeakkunsa tammikuussa Las Vegasin CES-messuilla. Yhtiö ei vieläkään paljasta, mihin sen akun kemia perustuu, mutta nyt se on vastannut ainakin kahteen yleiseen arvaukseen. Kyse ei näyttäisi olevan litium- eikä natriumakusta.

Hukkalämpö voi pian jäähdyttää prosessorin

Prosessorin tuottama hukkalämpö voisi tulevaisuudessa auttaa jäähdyttämään itse prosessoria. Karlsruhen teknillisen instituutin KIT:n ja japanilaisen Tsukuban yliopiston tutkijat ovat kehittäneet jäähdytysmenetelmän, jossa lämpö korvaa tavallisesti tarvittavan sähköisen toimilaitteen.

Auto kestää pidempään kuin sen 4G-yhteys

Tänään ostettu auto voi olla liikenteessä vielä pitkään sen jälkeen, kun sen käyttämä 4G-verkko on suljettu. Omdian mukaan LTE-verkkojen alasajo voi muodostua autoteollisuudelle paljon suuremmaksi ongelmaksi kuin aikaisemmat 2G- ja 3G-verkkojen sulkemiset.

Infineonin uusi mikro-ohjain varautuu kvanttiaikaan

Infineon on tuonut PSOC Control C3 -mikro-ohjainperheeseensä uuden Performance Line -sarjan, jossa nopea reaaliaikainen ohjaus yhdistyy kvanttiajan tietoturvaan. Piirit on suunnattu muun muassa tekoälypalvelimien teholähteisiin, sähköautojen lataukseen, aurinkosähköjärjestelmiin ja vaativaan moottorinohjaukseen.

Eurooppa sai oman supertietokoneiden prosessorin

Euroopan pitkään kehitetty oma supertietokoneprosessori on valmis ensimmäiseen todelliseen tehtäväänsä. SiPearl on toimittanut ensimmäiset Rhea1-prosessorit Bullille, joka alkaa integroida niitä Euroopan ensimmäiseen exascale-luokan supertietokoneeseen Jupiteriin.

Virtalähde muuttaa sähkökaapista koneen kylkeen

Omron tuo markkinoille S8NR-virtalähdesarjan, joka voidaan asentaa IP67-suojattuna suoraan koneeseen sähkökaapin ulkopuolelle. Samalla virtalähteeseen on tuotu diagnostiikkaa, jolla yksittäisten lähtöjen tilaa ja itse virtalähteen kuntoa voidaan seurata.

Tekoäly kokoaa työmaan kaaoksesta tilannekuvan

Rakennustyömaan olennainen tieto voi olla hajallaan projektipankissa, sähköpostissa, kokousmuistiossa, pikaviestiketjussa tai työnjohtajan muistivihossa. Suomalainen Adicio AI yrittää koota tästä tietomassasta yhteisen tilannekuvan ja päätellä samalla, mitä työmaalla pitäisi tehdä seuraavaksi.

VNA kutistui 470 gramman kenttämittariksi

Pico Technology on tuonut markkinoille kannettavan PicoVNA-R-vektoriverkkoanalysaattorin, joka painaa vain 470 grammaa ja toimii yhdellä USB-C-kaapelilla. 300 kilohertsistä 6 gigahertsiin ulottuva mittalaite on tarkoitettu erityisesti antennien, kaapelien ja passiivikomponenttien mittaamiseen suoraan niiden käyttöpaikalla.

Kamerasta tuli tekoälylasien ongelma

Tekoälylasien myynti kasvaa nyt hurjaa vauhtia, mutta samalla niiden ehkä näkyvimmästä ominaisuudesta on tulossa ongelma. Omdian mukaan tekoälylaseja toimitettiin vuoden ensimmäisellä puoliskolla 4,2 miljoonaa kappaletta, 127 prosenttia enemmän kuin vuotta aiemmin. Yksityisyyshuoli ajaa kuitenkin valmistajia jo kehittämään laseja kokonaan ilman kameraa.

Muistipula pakottaa maksamaan turhista gigatavuista

Sulautettu laite tarvitsee neljä gigatavua flash-muistia, mutta valmistaja ei enää löydä sopivaa 4 gigatavun eMMC-piiriä. Edessä voi olla siirtyminen selvästi suurempaan ja kalliimpaan komponenttiin – ja samalla maksaminen gigatavuista, joita laite ei koskaan tarvitse. Espoolainen Tuxera tarjoaa ongelmaan ohjelmistopohjaista ratkaisua.

Sähköauton laturista tuli uusi hyökkäysreitti sähköverkkoon

Sähköauton latausasema ei ole enää pelkkä pistorasia, vaan verkkoon, pilvipalveluihin ja maksujärjestelmiin kytketty tietokone. Tata Consultancy Servicesin mukaan puutteellisesti suojattu latausinfrastruktuuri voi muodostaa hyökkäysreitin, jonka vaikutukset ulottuvat yksittäisestä latauspisteestä aina sähköverkkoon asti.

Fujitsu haki Euroopan AI-keskuksen johtoon suomalaisen

Fujitsu perustaa Eurooppaan uuden tekoäly-yksikön vauhdittamaan AI:n käyttöä omassa organisaatiossaan. Europe Office of AI -yksikön johtoon nousee suomalainen Mikko Lampinen, joka aloittaa tehtävässä lokakuun alussa.

IGBT7 vie tehotiheyden uudelle tasolle

ETN - Technical articleSeitsemännen sukupolven IGBT-teknologia nostaa tehomoduulien suorituskykyä usealla rintamalla. IGBT7 pienentää häviöitä, kasvattaa virtakapasiteettia ja kestää ylikuormituksessa jopa 175 asteen liitoslämpötilan. Yhdessä matalainduktanssisten koteloiden kanssa tämä mahdollistaa aiempaa suuremman tehotiheyden, paremman hyötysuhteen ja pienemmät järjestelmäkustannukset.

GPU-palvelimet valtasivat yli puolet palvelinmarkkinasta

Tekoälybuumi paisuttaa maailman palvelinmarkkinoita ennätystahtia. IDC:n mukaan palvelimia myytiin vuoden toisella neljänneksellä 166,3 miljardilla dollarilla, peräti 52 prosenttia enemmän kuin vuotta aiemmin. GPU-kiihdytetyt palvelimet muodostavat nyt jo yli puolet koko markkinasta.

Operaattori tuo parhaan Wi-Fin Suomeen

Suomeen laajentunut ruotsalaisoperaattori Bahnhof on päässyt testaamaan ensimmäisten joukossa tulevaa Wi-Fi 8 -tekniikkaa. Esisarjalaitteilla tehdyssä testissä Wi-Fi 8 oli haastavissa olosuhteissa keskimäärin 54 prosenttia Wi-Fi 7:ää nopeampi. Ensimmäisiä Wi-Fi 8 -reitittimiä odotetaan markkinoille ensi vuoden alussa.

Unohda datalehdet! Kerro tekoälylle, mitä haluat suunnitella

Elektroniikkasuunnittelu on saamassa uuden lähtöpisteen. NXP:n verkkosivuilla suunnittelija voi nyt kertoa tekoälylle, millaisen laitteen haluaa rakentaa. Celusin tekniikka ehdottaa sen perusteella järjestelmäarkkitehtuurin ja sopivat NXP-komponentit ja vie suunnitelman aina kytkentäkaavioon asti.

Erillisverkot valjastaa 5G-verkon droonien havaitsemiseen

Erillisverkot on testannut Helsingissä tekniikkaa, jolla luvattomia drooneja voidaan havaita, paikantaa ja seurata 5G-verkon avulla. Vuosaaren satamassa tehdyssä kokeessa droonin ei tarvitse olla yhteydessä verkkoon tai lähettää omaa radiosignaaliaan tullakseen havaituksi.

Yhdelle palvelimelle jo 12 teratavua DDR5-muistia

Micron on esitellyt uuden 512 gigatavun DDR5 RDIMM -muistimoduulin, jonka avulla kaksikantaiseen palvelimeen voidaan asentaa jopa 12 teratavua keskusmuistia. Uutuus yltää jopa 9 200 MT/s:n siirtonopeuteen.

Sep # puffbox mobox till tme native
2026  # mobox för megabox
Sep  # puffbox mobox till square
TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

IGBT7 vie tehotiheyden uudelle tasolle

ETN - Technical articleSeitsemännen sukupolven IGBT-teknologia nostaa tehomoduulien suorituskykyä usealla rintamalla. IGBT7 pienentää häviöitä, kasvattaa virtakapasiteettia ja kestää ylikuormituksessa jopa 175 asteen liitoslämpötilan. Yhdessä matalainduktanssisten koteloiden kanssa tämä mahdollistaa aiempaa suuremman tehotiheyden, paremman hyötysuhteen ja pienemmät järjestelmäkustannukset.

Lue lisää...

OPINION

Googlen jätti-investointi: aika on kypsä uudelle ydinvoimalle

Googlen 13 miljardin euron investointi Suomeen on valtava uutinen. Vielä suurempi uutinen saattaa kuitenkin olla se, mitä investointi kertoo Suomen sähköntarpeesta. Tekoäly tarvitsee sähköä. Paljon sähköä, tasaisesti ja ympäri vuorokauden.

Lue lisää...

 

LATEST NEWS

  • Neliömillin piiri korvaa joukon komponentteja
  • Audit ajavat itse junaan suomalaisella tekniikalla
  • Donut Labin akku ei perustu litiumiin eikä natriumiin
  • Hukkalämpö voi pian jäähdyttää prosessorin
  • Auto kestää pidempään kuin sen 4G-yhteys

NEW PRODUCTS

  • Neliömillin piiri korvaa joukon komponentteja
  • Virtalähde muuttaa sähkökaapista koneen kylkeen
  • 140 watin USB-C-laturi yltää 96 prosentin hyötysuhteeseen
  • ST vähentää komponentteja kilowattiluokan teholähteistä
  • 80 wattia irti tulitikkuaskin kokoisesta teholähteestä
 
 

Section Tapet