在談到SiC和GaN這些炙手可熱的寬禁帶材料的時(shí)候，大家首先想到是其領(lǐng)先的特性，這讓它們?cè)诓簧偈袌?chǎng)能尋找到一席之地。來到技術(shù)層面，讀者們可能對(duì)其襯底、外延、制造工藝、晶圓尺寸甚至制造設(shè)備等都有廣泛的關(guān)注。
其實(shí)，對(duì)于GaN和SiC，還有一個(gè)少被提及，但又非常重要的一環(huán)，那就是測(cè)試。因?yàn)闇y(cè)試水平的高低，直接影響產(chǎn)品的可靠性和良率，是芯片最信得過的“守門人”。正因?yàn)槿绱酥匾院芏鄰S商也都投入其中，以把握潛在的機(jī)會(huì)。
當(dāng)中，被NI收購(gòu)的SET GmbH無疑是其中的一個(gè)重要玩家。
寬禁帶測(cè)試，略有不同
SET GmbH聯(lián)合創(chuàng)始人、現(xiàn)NI全球副總裁Frank Heidemann日前在與半導(dǎo)體行業(yè)觀察交流時(shí)指出，和傳統(tǒng)的硅器件不一樣，寬禁帶材料在測(cè)試時(shí)候，面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。
他以碳化硅舉例說，這個(gè)現(xiàn)在席卷全球的熱門技術(shù)其實(shí)早在40多年前就出現(xiàn)了,但一直以來卻沒有大規(guī)模應(yīng)用，這主要是因?yàn)檫@里面有很多挑戰(zhàn)。例如在失效方面，其失效模式和過去硅基半導(dǎo)體失效模式是不一樣的。
據(jù)Frank Heidemann介紹，硅基失效模式和碳化硅器件失效模式是完全不一樣的，例如硅基里面整個(gè)閾值電壓漂移不是那么明顯，但是在碳化硅這個(gè)領(lǐng)域卻有很多明顯的閾值電壓漂移現(xiàn)象，這會(huì)影響到器件性能?！霸谶^去做一些靜態(tài)測(cè)試的時(shí)候，實(shí)際上我們是觀察不出整個(gè)閾值電壓的漂移的。但是通過動(dòng)態(tài)測(cè)試之后我們能夠很明顯看到它的整個(gè)門控的閾值電壓的漂移對(duì)整個(gè)器件的影響?！盕rank Heidemann說。
他表示，閾值電壓漂移或者在開關(guān)的時(shí)候，內(nèi)部的RDSON變化會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生很大的影響。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這個(gè)效應(yīng)不是短期的而是長(zhǎng)期演進(jìn)的過程。那就意味著在SiC裝車以后，隨著時(shí)間的推移，閾值電壓的漂移會(huì)進(jìn)一步影響整個(gè)效率（尤其是電動(dòng)汽車的開關(guān)轉(zhuǎn)化效率），進(jìn)而影響電動(dòng)車?yán)m(xù)航?！斑@些東西不是一個(gè)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)短期內(nèi)通過靜態(tài)測(cè)試能夠發(fā)現(xiàn)的，而是需要通過一些長(zhǎng)期測(cè)試才能發(fā)現(xiàn)。”Frank Heidemann強(qiáng)調(diào)。
除了閾值電壓漂移，碳化硅的開關(guān)頻率也給測(cè)試帶來了新的挑戰(zhàn)。如Frank Heidemann所說，SiC擁有比IGBT快得多的開關(guān)頻率，這就代表電壓上升率（Dv/Dt）也會(huì)變化很大，從而誘發(fā)出其他很多缺陷。
總結(jié)而言，F(xiàn)rank Heidemann認(rèn)為，SiC 和GaN 器件動(dòng)態(tài)測(cè)試(例如dHTGS、dH3TRB、DRB或HTFB)存在功率半導(dǎo)體行業(yè)前所未有的挑戰(zhàn)。要將這些測(cè)試擴(kuò)展到批量的規(guī)模，同時(shí)盡可能的在精準(zhǔn)的時(shí)刻觸發(fā)失效機(jī)制獲取數(shù)據(jù)進(jìn)一步建構(gòu)模型是存在相當(dāng)難度的，尤其是如dHTGS、dH3TRB、DRB或 HTFB等這類動(dòng)態(tài)測(cè)試的質(zhì)量控制和激勵(lì)或in-situ原位檢測(cè)的可控性。
有見及此，SET GmbH推動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試方法進(jìn)入SiC，以找到更多材料或者是元器件失效模式來去解決行業(yè)挑戰(zhàn)，尤其是在現(xiàn)在快速興起的新能源汽車行業(yè)。與此同時(shí)，SET GmbH還希望通過不同的新技術(shù)把它傳導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試設(shè)備里面去，以期能夠在早期就發(fā)現(xiàn)器件失效特征。
圖片來源：拍信網(wǎng)正版圖庫(kù)
NI收購(gòu)SET，加速融合
資料顯示，SET GmbH成立于2001年，是一家專門從事功率半導(dǎo)體和航空航天行業(yè)的測(cè)試系統(tǒng)的企業(yè)，更是SiC等寬帶隙材料測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)先驅(qū)。自 2020 年，公司便與自動(dòng)化測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者NI合作，后者還宣布了對(duì)SET進(jìn)行了戰(zhàn)略性少數(shù)股權(quán)投資，以促進(jìn)雙方的合作。
現(xiàn)在，見到汽車功率半導(dǎo)體可靠性系統(tǒng)中的機(jī)會(huì)，NI全面收購(gòu)了SET GmbH，希望能夠共同縮短關(guān)鍵的、高度差異化的解決方案的上市時(shí)間，并以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等功率電子材料為切入點(diǎn)，加速?gòu)陌雽?dǎo)體到汽車的供應(yīng)鏈融合。
“汽車供應(yīng)鏈正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革，原始設(shè)備制造商（OEM）和半導(dǎo)體廠商都在新技術(shù)領(lǐng)域迅速創(chuàng)新。對(duì)于這些新技術(shù)在新型電動(dòng)汽車中的表現(xiàn)能進(jìn)行充分預(yù)測(cè)并說明的能力對(duì)于產(chǎn)品最終性能和安全性至關(guān)重要。”NI執(zhí)行副總裁兼事業(yè)部總經(jīng)理Ritu Favre在收購(gòu)的相關(guān)新聞稿中說。他進(jìn)一步指出，SET是這一領(lǐng)域顯而易見的創(chuàng)新者，也是航空電子測(cè)試領(lǐng)域的老牌供應(yīng)商。NI 是自動(dòng)化測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。結(jié)合雙方的能力，NI和SET可以為客戶提供更多差異化的解決方案，并利用NI的全球規(guī)模共同成長(zhǎng)。
Frank Heidemann也表示：“我們利用廣泛并深入的專業(yè)知識(shí)來開發(fā)突破性的功率半導(dǎo)體測(cè)試解決方案。通過提供新的動(dòng)態(tài)測(cè)試程序，SET確保為汽車行業(yè)提供尖端的高精度和高可靠性的碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體。憑借我們的創(chuàng)新方法，SET引領(lǐng)行業(yè)應(yīng)對(duì)最緊迫的資格挑戰(zhàn)?！?/p>
這里說的創(chuàng)新方法，就是前文談到的“動(dòng)態(tài)測(cè)試方案”。
據(jù)Frank Heidemann介紹，在傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試中，要按照AQG324標(biāo)準(zhǔn)，在一個(gè)恒定的電壓下做很多測(cè)試，但這并不能如實(shí)反饋出器件的真實(shí)情況。而所謂的動(dòng)態(tài)測(cè)試，則是指在通過柵極提供一個(gè)快速變換的Dv/Dt信號(hào)或者PWM信號(hào)，以激發(fā)出不同的工作模式。從而能夠在過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有的電壓、電流的變化。
“在SET的解決方案里面，我們可以精確控制每一個(gè)數(shù)據(jù)的電壓和每一個(gè)數(shù)據(jù)電流，能夠?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)其缺陷。而不是像過去的方案，只有等到這個(gè)器件燒毀了才能發(fā)現(xiàn)。即便是燒毀的情況下，我們可以在事后把他整個(gè)變化過程所有的參數(shù)記錄下來，方便工程師做事后的分析，看它的實(shí)效，這是我們方案很重要的特點(diǎn)。”Frank Heidemann強(qiáng)調(diào)。
在與Frank Heidemann的交流中，他多次表示，SET對(duì)SiC這些寬禁帶材料的動(dòng)態(tài)測(cè)試擁有很多的konw-how，能給客戶提供可靠的解決方案。他透露，在公司被NI收購(gòu)以前，當(dāng)中的硬件方案主要是購(gòu)買NI已經(jīng)開發(fā)出來的硬件，SET再在其基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。但在收購(gòu)以后，SET可以將更多的需求提交給NI，以開發(fā)出更適合的硬件方案，以更好地服務(wù)客戶。
“SET依然會(huì)專注在芯片和模組上面，但是NI已經(jīng)有專門的inverter測(cè)試系統(tǒng)，那NI和SET整合就可以打通從整個(gè)芯片到最后模組一整個(gè)測(cè)試。同時(shí)，NI還有軟件這個(gè)大方向，當(dāng)中不僅包含了傳統(tǒng)意義上的LabVIEW、TestStand，還囊括了數(shù)據(jù)分析軟件。通過與其結(jié)合，我們就可以整合形成一個(gè)更大的產(chǎn)業(yè)鏈，利用NI做整個(gè)inverter測(cè)試和下線監(jiān)測(cè)，SET做前面的檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)打通?！盕rank Heidemann說。
換而言之，受惠于NI產(chǎn)品線的支持，現(xiàn)在的SET不但能夠服務(wù)芯片廠商，還能服務(wù)OEM廠商。
Frank Heidemann還講到，為了更好地推進(jìn)這個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試的方案賦能產(chǎn)業(yè)，SET主導(dǎo)了一個(gè)圓桌論壇組織，邀請(qǐng)了行業(yè)頭部50多家企業(yè)的70多人，每年組織圓桌討論以推進(jìn)整個(gè)寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的討論和發(fā)展。同時(shí)公司每年還會(huì)與中國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行討論。
“我們的目標(biāo)是將其統(tǒng)一為全球標(biāo)準(zhǔn)”，F(xiàn)rank Heidemann重申。（文：半導(dǎo)體行業(yè)觀察）
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