logotypen
 
 

IN FOCUS

Gallimnitridi tuo laatua, kestävyyttä ja luotettavuutta

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.

Lue lisää...

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

Suomalainen anturijärjestelmä osoitti tehonsa ammattikeittiössä

Ravintolakeittiö on varsin vihamielinen ympäristö paitsi työtään tekeville ammattilaisille, myös omistajan sähkölaskulle. Kiinteistösijoittaja Areim voitti viime vuoden Energianerokas 2024 -palkinnon onnistuttuaan puolittamaan ravintolakeittiöiden ilmanvaihdon aiheuttaman sähkölaskun. Temppu onnistui suomalaisella anturitekniikalla.

Murata kutisti induktorin hiekanjyvän kokoiseksi

Japanilainen Murata Manufacturing on esitellyt maailman pienimmän induktorin, jonka mitat ovat vain 0,16 x 0,08 millimetri. Tämä 006003-kokoinen siruinduktori, joka on kooltaan lähes hiekanjyvän luokkaa, julkistettiin maailman suurimmilla kulutuselektroniikan messuilla CES 2025 -tapahtumassa Las Vegasissa.

Nokia kiihdytti kuidun jo terabitin nopeuteen

Nokia ja Saudi-Arabian stc Group ovat yhdessä tehneet historiaa Lähi-idän ja Afrikan alueella suorittamalla ensimmäisen onnistuneen terabitin (1Tbps) pitkän matkan kenttäkokeen. Testi toteutettiin stc Groupin DWDM-verkossa (Dense Wavelength Division Multiplexing) ja siinä käytettiin Nokian kuudennen sukupolven PSE-6s-prosessoria (Photonic Service Engine).

HDMI-väylän nopeus kaksinkertaistuu

HDMI Forum on julkistanut uuden HDMI 2.2 -standardin, joka nostaa HDMI-väylän kaistanleveyden ennätykselliseen 96 gigabittiin sekunnissa. Tämä kaksinkertainen nopeus verrattuna edeltävään HDMI 2.1 -versioon mahdollistaa korkeammat resoluutiot, nopeammat virkistystaajuudet ja uuden sukupolven audiovisuaaliset kokemukset.

OnePlus astui lopullisesti premium-kisaan

OnePlus on julkistanut uuden lippulaivapuhelimensa. Eilen esitellyt 13-mallin myötä yhtiö viimeistään hyppää premium-laitteiden kisaan, sillä 16 gigatavun muistilla ja 512 gigatavun tallennustilalla laitteen hinta on 1149 euroa. Uutuutta pitääkin verrata lähes Applen ja Samsungin kalleimpiin malleihin.

OnePlus julkisti 13-sarjansa, tässä speksit

OnePlus ilmoitti tänään virallisesti uusimpien lippulaivalaitteidensa, OnePlus 13 -sarjan, globaalista lanseerauksesta. Tarjolla on uusi lippulaiva eli OnePlus 13 sekä sen edullisempi tytärmalli 13R.

Tektronixin mittauslaitteita saa jatkossa myös CN Roodilta

Hollantilainen ja mittaus- ja testausratkaisujen jakelija CN Rood laajentaa yhteistyötään Tektronixin kanssa ja alkaa edustaa yhtiötä nyt myös Suomessa, Tanskassa ja Norjassa. CN Rood on saavuttanut suuren menestyksen Tektronixin tuotteiden edustajana Alankomaissa, Belgiassa, Luxemburgissa ja Ruotsissa.

CES: Paristo lataa itsensä lamppujen valolla

Energian varastointiratkaisujen kehittävä japanilainen Nichicon ja ruotsalainen Epishine ovat esitelleet Las Vegasin CES-messuilla vallankumouksellisen itsestään latautuvan paristoratkaisun. Uusi SCB-EpNi-2500-000400-moduuli yhdistää Nichiconin huippuluokan LTO-paristot ja Epishinen ultrakevyet, joustavat orgaaniset aurinkokennot.

Nokialla jo 7000 5G-essentiaalipatenttien perhettä

Nokia ilmoitti tänään saavuttaneensa merkittävän rajapyykin, kun sen 5G-teknologiaan essentiaaleiksi julistettujen patenttiperheiden määrä on ylittänyt 7000. Yhtiön keskeiset keksinnöt, kuten innovaatiot 5G-radioiden protokollasuunnittelussa, 5G-turvallisuudessa ja käyttöliittymäteknologioissa määrittelevät, miten älypuhelimet, älyautot ja muut yhdistetyt laitteet kommunikoivat 5G-verkkojen kanssa.

HMD:n uutuus tuo hätäyhteydet satelliittien kautta

Suomalainen HMD Global on esitellyt uuden innovaation, HMD OffGrid -palvelun, joka hyödyntää huipputason satelliittiteknologiaa varmistaakseen yhteydet myös perinteisten mobiiliverkkojen ulottumattomissa. Pakettiin kuuluu OffGrid-laite, joka painaa vain 60 grammaa ja maksaa 169 euroa.

Liikeanturi tuo eleohjauksen pieniin laitteisiin

Bosch Sensortecin liikeanturit mahdollistavat tehokkaan eleohjauksen pienikokoisissa ja energiaa säästävissä älylaitteissa. Yhtiö esittelee uusia anturiratkaisuaan Las Vegasin CES-messuilla.

Suomalaisyritys kehuu sähkömoottoriaan maailman suorituskykyisimmäksi

Suomalainen teknologiayhtiö Donut Lab on esitellyt uuden sukupolven sähkömoottoriperheen, jonka se julistaa olevan maailman suorituskykyisin. CES-teknologiamessuilla julkistettu moottoriperhe tarjoaa viisi erilaista mallia, jotka on suunniteltu kattamaan laaja kirjo sähköajoneuvojen tarpeita. Donut Labin mukaan uusi teknologia voi mullistaa koko alan tarjoamalla poikkeuksellista suorituskykyä ja kustannustehokkuutta.

Tässä vuoden 2024 luetuin: Sähköauto petti odotukset monilla rintamilla

ETN:n päivittäinen uutistoiminta on paraikaa ansaitulla joulutauolla ja takaisin palaamme loppiaisen jälkeen. Viime vuonna luetuin uutisemme koski sähköautoja ja niiden markkinan hiipumista. Heikko markkina näkyi myös Kempowerin tuloskunnossa, kun se aloitti kesällä muutosneuvottelut. Syksyllä markkina kääntyi onneksi ainakin hieman lupaavampaan asentoon.

Näin sirumarkkinoilla käy ensi vuonna

Tekoälyn ja HPC-laskennan korkean suorituskyvyn tietojenkäsittelyn (HPC) kasvava kysyntä jatkuu vahvana, ja markkinat kasvavat yli 15 prosenttia vuonna 2025, arvioi IDC tuoreessa Worldwide Semiconductor Technology Supply Chain Intelligence -raportissaan.

Autojen uusin tutkapiiri erottaa jalankulkijan jopa 380 metrin päästä

Tyypillisesti autojen ADAS-järjestelmien tutkat näkevät 50–80 metrin päähän, parhaimmillaan jopa yli 200 metrin päähän. Infineonin uusin RASIC-sarjan tutkapiiri tunnistaa jalankulkijan selvästi kauempaa.

Järjestelmäpiireistä tuli juuri kaksi kertaa nopeampia

Alphawave Semi on esitellyt ensimmäisenä maailmassa 64 gigabitin sekuntinopeuteen yltävän UCIe-liitännän (Universal Chiplet Interconnect Express) sirujen välisiin yhteyksiin. Tämä kolmannen sukupolven teknologia nostaa sirujen välisten yhteyksien suorituskyvyn täysin uudelle tasolle.

Nokia demosi ensimmäisenä kvanttiturvallista mobiiliverkkoa

Nokia ja Turkcell ovat yhteistyössä saavuttaneet maailman ensimmäisenä kvanttiturvallisen IPsec-verkkosalauksen toteutuksen mobiiliverkkojen käyttöön. Tämä merkittävä saavutus edustaa kriittistä askelta mobiiliverkkojen suojaamisessa tulevaisuuden kvanttitietokoneiden aiheuttamia uhkia vastaan. Nokia ja Turkcell käyttävät uusimpia kryptografisia standardeja varmistaakseen, että mobiiliviestintä pysyy turvassa nykyisissä ja tulevissa uhkatilanteissa.

Pythonin suosio on ennennäkemätön

Python on noussut vuoden 2024 ylivoimaiseksi ohjelmointikieleksi, saavuttaen ennätykselliset 10 % kasvun suosiomittauksissa vuoden aikana. Tämä tekee siitä selkeän voittajan TIOBE-indeksissä, joka mittaa ohjelmointikielten suosiota maailmanlaajuisesti.

Aalto-yliopistoon rahoitus kvanttivirheiden korjaamisen tutkimukseen

Professori Mikko Möttönen on saanut Jane ja Aatos Erkon säätiöltä kolmevuotisen apurahan kehittämään tekniikkaa kvanttivirheiden korjaamiseksi. Hänen tutkimusryhmänsä kehittää ratkaisua, jonka avulla mikroaaltopulssit voidaan jatkossa pitää millikelvinin eli -273 asteen lämpötilassa.

Suomessa on Pohjoismaiden hitain kiinteä netti

Ranskalainen verkon nopeuksia mittaava nPerf ei anna Suomelle mitalisijaa Pohjoismaiden kiinteän verkkon mittauskisassa. Suomi on hitaampi kuin Tanska, Ruotsi tai Norja. Tanskaan tulee eroa keskimäärin 45,5 megabittiä sekunnissa liittymää kohti.

Miksi MEMS-ajoitus on kvartsia parempi?

Jotta voidaan vastata uuden teknologian vaatimuksiin ja pitää järjestelmät toimimassa ”kellon tavoin”, on aika harkita ajoitusratkaisuja uudelleen. Tässä kaksiosaisessa "Precision Timing" -artikkelissa opit, miksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin eli MEMS-komponentteihin perustuvat piiajoituslaitteet päihittävät kvartsin elektroniikkasuunnittelun uudella aikakaudella. 

Lue lisää...

Tekoäly edellyttää yhä nopeampia verkkoja

Kestävä digitaalinen infrastruktuuri on kriittinen, jotta tietoliikenneverkot voidaan tehokkaasti valjastaa tekoälyinnovaatioiden ja pilvipohjaisten palveluiden tarpeisiin. Tekoälyyn liittyvien datarikkaiden sovellusten lisääntyvä kysyntä edellyttää tietoliikenneverkkoa, joka kykenee käsittelemään suuria tietomääriä alhaisella viiveellä, kirjoittaa Orange Businessin kumppaniratkaisuista vastaava Carl Hansson.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
Tapahtuma: Winter Satellite Workshop 2025
Espoo Otaniemi / Dipoli, 21. - 23.1.2025
Lisätietoja täällä
 
Tapahtuma: EMC -seminaari (Kotel)
Tampere 5. – 6.2.2025. Lisätietoja: asiakaspalvelu@rohde-schwarz.com

R&S -seminaari: Demystifying SA and VNA
Oulussa 12.2.2024 ja Vantaalla 13.2.2024
Ilmoittautuminen: asiakaspalvelu@rohde-schwarz.com

 
R&S -koulutus: RF Mittaustekniikan 2-päiväinen koulutus (huom. maksullinen)
Vantaalla 12.-13.3.2025
Ilmoittautuminen: RF Mittaustekniikka - Rohde & Schwarz Finland Oy
 

 

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 

NEWSFLASH

 
article