Pruebas de GaN para la próxima generación de electrónica de potencia

Los dispositivos de potencia de nitruro de galio (GaN) están pasando rápidamente de ser una tecnología emergente a un componente crítico que permite una conversión de potencia de alta eficiencia. A medida que aplicaciones como la infraestructura de IA, los centros de datos, la robótica y la electrificación exigen una mayor eficiencia, una mayor densidad de potencia y una conmutación más rápida, la forma en que se prueban los dispositivos GaN es cada vez más importante.

Para conocer cómo están cambiando las pruebas de semiconductores con la tecnología GaN, se entrevistó a Huipeng Liu, director global de marketing de Accotest. Accotest es un fabricante líder de equipos de prueba automatizados (ATE) con amplia experiencia en pruebas de producción de semiconductores.

De las arquitecturas de prueba basadas en silicio a las arquitecturas de prueba específicas para GaN

La evolución de las pruebas de GaN es paralela a la evolución de la propia tecnología.

Inicialmente, cuando se fabricaron los dispositivos de potencia GaN, con frecuencia se trataron como dispositivos discretos convencionales de silicio. Sin embargo, pronto se demostró que esto no era suficiente. Dado que los dispositivos de GaN pueden actuar como interruptor a velocidades mucho mayores y combinan bajas pérdidas de conducción con un comportamiento transitorio muy rápido, sus requisitos de prueba son fundamentalmente distintos de los de los semiconductores de potencia convencionales de silicio.

Por eso, las plataformas de prueba han evolucionado en la última década hacia arquitecturas específicas para dispositivos de banda prohibida ancha.

Uno de los grandes avances es la capacidad de combinar mediciones paramétricas estáticas convencionales con mediciones dinámicas en el mismo entorno de prueba de producción (Figura 1). Esto es especialmente importante para el GaN, donde parámetros como la resistencia en estado encendido por sí sola no son suficientes para describir plenamente el comportamiento del dispositivo en condiciones de conmutación.

Figura 1: los desafíos de prueba incluyen la capacidad de prueba dinámica de R_DS(ON). (Fuente: AccoTest)

Las soluciones de prueba modernas pueden combinar prueba estática con mediciones de R_DS(ON) dinámica y admitir configuraciones multisitio. Esto permite probar varios dispositivos en paralelo mientras se mantiene la exactitud y la repetibilidad de las mediciones como en los entornos de producción.

Esta evolución también refleja la diversidad de arquitecturas GaN que entran hoy en el mercado. Los requisitos de prueba pueden variar bastante según el tipo de dispositivo (FET GaN, CI GaN monolítico, dispositivo coempaquetado, configuración de puente u otras implementaciones integradas).

El mensaje es claro: las pruebas de GaN necesitan una arquitectura de prueba abierta y flexible, no los enfoques tradicionales para dispositivos discretos.

La medición de R_DS(ON) dinámico se vuelve crítica

Uno de los desafíos más importantes en las pruebas de GaN es medir con precisión R_DS(ON), en particular a medida que la resistencia del dispositivo sigue disminuyendo.

Para aplicaciones de voltaje bajo y corriente alta, incluso un pequeño aumento de la resistencia en estado encendido puede traducirse en pérdidas de conducción significativas. Al mismo tiempo, las características de conmutación rápida del GaN hacen que las mediciones dinámicas sean considerablemente más complejas que las mediciones convencionales de resistencia estática.

Por lo tanto, las pruebas dinámicas de R_DS(ON) deben tener en cuenta el comportamiento del dispositivo en condiciones de conmutación realistas. El sistema de medición debe captar las características relevantes de voltaje y corriente sin introducir efectos parásitos excesivos ni errores de medición.

Esto es especialmente importante a medida que la tecnología GaN avanza hacia una resistencia en estado encendido cada vez más baja, del nivel de microohmios. En estos niveles de resistencia, el propio entorno de medición puede convertirse en una parte importante del problema de medición.

Los accesorios de prueba, las interconexiones, los bucles de conmutación, el ancho de banda de la instrumentación, la temporización y los algoritmos de medición influyen en el resultado.

Para las pruebas de producción, esto genera una combinación exigente de requisitos: alta precisión de medición, alta tasa de producción, repetibilidad y la capacidad de realizar mediciones dinámicas sin comprometer la integridad del dispositivo.

La fiabilidad comienza con el método de prueba

La fiabilidad es otra dimensión crítica de las pruebas de GaN, en particular en aplicaciones donde los dispositivos de potencia funcionan de forma continua y a altas frecuencias de conmutación.

Los centros de datos de IA son un buen ejemplo. Los sistemas de conversión de potencia que respaldan la computación de IA deben funcionar de manera eficiente mientras gestionan condiciones eléctricas y térmicas exigentes. Cualquier debilidad en el semiconductor de potencia puede, en última instancia, afectar la disponibilidad del sistema y el costo operativo.

Por lo tanto, las pruebas tienen dos objetivos. El primero es identificar los dispositivos que no cumplen con las especificaciones eléctricas y de rendimiento requeridas. El segundo es garantizar que el propio proceso de prueba no introduzca esfuerzo eléctrico o térmico adicional que pueda comprometer la fiabilidad del dispositivo.

Esta distinción es particularmente importante para el GaN porque su comportamiento de conmutación rápida puede generar altos dv/dt y di/dt. Un entorno de prueba mal diseñado puede introducir sobrecresta, oscilación, esfuerzo transitorio excesivo u otras condiciones que no son representativas del funcionamiento normal del dispositivo.

Por lo tanto, un sistema de prueba de producción debe diseñarse no solo para medir el dispositivo con precisión, sino también para controlar el entorno eléctrico en el que se realiza esa medición.

Esto convierte a la plataforma de prueba en una parte de la estrategia general de fiabilidad.

Pruebas a nivel de oblea y optimización del rendimiento

Las pruebas también se están trasladando a etapas más tempranas del proceso de fabricación de semiconductores.

La prueba a nivel de oblea puede proporcionar información valiosa sobre el rendimiento del dispositivo y la variación del proceso antes de que los dispositivos pasen a las etapas posteriores de fabricación. En el caso del GaN, esto es especialmente útil porque parámetros como la corriente de fuga y la resistencia en estado encendido pueden proporcionar indicadores importantes de la calidad del dispositivo.

La corriente de fuga es especialmente relevante cuando los dispositivos se evalúan a voltaje y temperatura elevados. Las pequeñas variaciones en la corriente de fuga pueden volverse más significativas a medida que aumenta el voltaje de funcionamiento, lo que hace esenciales las mediciones precisas de alto voltaje.

R_DS(ON) es otro parámetro crítico. A medida que la resistencia objetivo se adentra en el rango de los microohmios, la precisión de la medición se vuelve cada vez más difícil de lograr. El sistema de prueba debe distinguir las características reales del dispositivo de la resistencia introducida por las sondas, las interconexiones, los contactos y la configuración de medición.

Por lo tanto, las mediciones precisas a nivel de oblea pueden contribuir directamente a la optimización del rendimiento de producción al ayudar a identificar antes, dentro del flujo de fabricación, las variaciones del proceso y los dispositivos defectuosos.

La prueba como ventaja competitiva

A medida que el GaN se adopta más ampliamente, las pruebas de semiconductores ya no son simplemente un paso final de fabricación. Se está convirtiendo en un elemento importante de la ecuación competitiva.

El mayor rendimiento de los dispositivos genera requisitos de prueba más exigentes. Una conmutación más rápida, un R_DS(ON) más bajo, voltajes de funcionamiento más altos y una integración cada vez más sofisticada requieren sistemas de medición más capaces.

Al mismo tiempo, los volúmenes de producción están aumentando. Por lo tanto, los equipos de prueba deben ofrecer tanto rendimiento técnico como eficiencia económica.

Las pruebas multisitio son una forma de abordar este reto. Al probar varios dispositivos simultáneamente, los fabricantes pueden aumentar la tasa de producción sin incrementar proporcionalmente el espacio de prueba.

Sin embargo, las pruebas multisitio plantean sus propios retos. Los canales de medición deben estar altamente sincronizados, los efectos parásitos deben controlarse y el sistema debe mantener un rendimiento uniforme en todos los sitios.

El objetivo no es simplemente probar más dispositivos de forma simultánea, sino hacerlo manteniendo el mismo nivel de confianza en la medición.

Figura 2: ejemplo de formas de onda de R_DS(ON) dinámico en conmutación suave y conmutación dura. (Fuente: AccoTest)

De mejores dispositivos a mejores aplicaciones

El desarrollo futuro del GaN dependerá de algo más que de las mejoras en el propio semiconductor.

La tecnología de dispositivos, el encapsulado, las técnicas de accionamiento de compuerta, los electroimanes, la gestión térmica, las pruebas y la arquitectura del sistema están cada vez más interconectados. Las mejoras en un área pueden permitir avances en otra.

En el caso de GaN, esta interacción es especialmente visible en aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia. La capacidad de conmutar más rápido y reducir las pérdidas crea nuevas oportunidades, pero materializar esas ventajas a nivel de sistema requiere que toda la arquitectura de conversión de potencia evolucione en consecuencia.

Esto es especialmente relevante para aplicaciones emergentes como la infraestructura de IA y la robótica humanoide. Estos sistemas requieren una conversión de potencia compacta, eficiente y fiable, y pueden beneficiarse significativamente de la combinación del alto rendimiento de conmutación del GaN y las bajas pérdidas de conducción.

En última instancia, la pregunta más importante no es simplemente cómo fabricar un mejor dispositivo GaN, sino cómo utilizar GaN de manera más eficaz dentro del sistema completo de potencia.

EPC y AccoTest unen fuerzas para crear un ecosistema de pruebas de GaN

La colaboración entre EPC y AccoTest se centra en un desafío práctico de la fabricación de GaN: probar con precisión los dispositivos cuyas características eléctricas y comportamiento de conmutación superan cada vez más las capacidades de los métodos convencionales de prueba de dispositivos discretos.

A medida que EPC continúa desarrollando dispositivos de GaN para aplicaciones de alta frecuencia y conversión de alta potencia, la metodología de prueba debe evolucionar junto con la tecnología del dispositivo. En particular, un R_DS(ON) bajo, transitorios de conmutación rápidos y la necesidad de mediciones fiables con voltaje y temperatura elevados imponen requisitos específicos al sistema de pruebas.

La experiencia de AccoTest en pruebas de producción de GaN proporciona una arquitectura de prueba capaz de abordar estos requisitos. Este enfoque combina mediciones paramétricas estáticas con mediciones dinámicas, incluida la R_DS(ON) dinámica, y es compatible con configuraciones multisitio para entornos de producción.

Esto es relevante para EPC porque las mediciones en niveles de resistencia muy bajos son cada vez más sensibles a la trayectoria eléctrica completa utilizada durante la prueba. La resistencia de contacto, los parásitos de interconexión, la temporización de la medición, los niveles de corriente y las técnicas de detección de voltaje pueden influir en el valor medido. Por lo tanto, una arquitectura de prueba adecuada debe minimizar estos efectos y proporcionar resultados repetibles en todos los dispositivos y sitios de prueba.

La colaboración también se extiende a la caracterización de dispositivos GaN durante la producción. Las mediciones como la corriente de fuga y R_DS(ON), especialmente en condiciones de mayor voltaje y mayor temperatura, proporcionan información importante para evaluar el rendimiento del dispositivo e identificar variaciones del proceso.

Para EPC, el objetivo no es simplemente aumentar la tasa de producción. El sistema de prueba debe proporcionar datos que puedan correlacionarse con el rendimiento real del dispositivo, al tiempo que mantiene las condiciones eléctricas necesarias para evitar la introducción de esfuerzos no deseados durante la medición.

Esto adquiere una importancia cada vez mayor a medida que los dispositivos GaN avanzan hacia un alto nivel de integración y condiciones de funcionamiento más exigentes. El entorno de pruebas debe adaptarse a diferentes configuraciones de dispositivo mientras mantiene la exactitud de la medición, la repetibilidad y la eficiencia de producción.

Al trabajar juntas en estos requisitos de prueba, EPC y AccoTest están abordando los desafíos de prueba que surgen directamente de las características eléctricas de la tecnología GaN. El enfoque se centra en desarrollar un método de prueba de producción que pueda respaldar una caracterización precisa del dispositivo a medida que el rendimiento de GaN continúa avanzando.