通過測試和認(rèn)證確保GaN的可靠性

GaN 晶體管提高了電源系統(tǒng)的性能，同時還能降低組件成本。但是我們?nèi)绾卧u估它的質(zhì)量和可靠性呢？

GaN Systems 的首席執(zhí)行官 Jim Witham回答了我們關(guān)于此事的問題，并描述了功率晶體管行業(yè)如何熟悉聯(lián)合電子器件工程委員會 (JEDEC) 中以硅晶體管標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的資格指南。但是對于 GaN，器件材料不同，因此失效模式和機(jī)制也不同。

Witham 指出，確定在 JEDEC 和 AEC-Q 下測試 GaN的指南是 GaN 行業(yè)研究工作的一部分。他補充說：“這項分析的一個結(jié)果是，影響電子系統(tǒng)壽命的任務(wù)概況正在發(fā)生變化。例如，內(nèi)燃機(jī)汽車需要 8,000 小時的使用壽命，而 HEV/EV 車載充電器需要超過 30,000 小時，幾乎增加了 4 倍”。

行業(yè)方法

該氮化鎵產(chǎn)業(yè)的目的是證明氮化鎵的解決方案至少有相同的預(yù)期壽命為硅MOSFET，理想，美好的生活。該行業(yè)和 JEDEC JC-70 委員會正在努力為 GaN 和 SiC 器件定義一系列測試、條件和通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)，以確保系統(tǒng)可靠性并加速市場發(fā)展。Witham 補充說，行業(yè)聯(lián)盟正在努力克服差異——具有不同技術(shù)的供應(yīng)商和具有不同商業(yè)利益的供應(yīng)商——一些擁有硅和 GaN，一些只有 GaN，其他一些擁有硅、碳化硅和 GaN。

“我相信關(guān)鍵要素之一是產(chǎn)品開發(fā)周期。我們首先要做的是設(shè)計一個產(chǎn)品。其次是資格，我們對產(chǎn)品施加高壓、高溫、高相對濕度和高頻的壓力。執(zhí)行資格測試以確保半導(dǎo)體器件在應(yīng)力之前和之后都按設(shè)計運行。接下來，我們對產(chǎn)品進(jìn)行故障測試，以表明所有故障模式都已被理解。然后，關(guān)鍵是確保將這些信息包含在產(chǎn)品開發(fā)周期中。了解故障模式、重新設(shè)計、獲得更長壽命的整個過程非常關(guān)鍵。那么證據(jù)就在數(shù)字中。因此，我們已經(jīng)證明，GaN Systems 晶體管的使用壽命與最好的硅功率晶體管一樣好或更好，”Witham 說。

然而，Witham 指出存在一些挑戰(zhàn)。故障機(jī)制因供應(yīng)商而異。一些供應(yīng)商可能沒有正確的知識。對于了解故障機(jī)制的其他公司，這些公司可以將他們的機(jī)制與測試和設(shè)計聯(lián)系起來，以確保 GaN 晶體管的長壽命和整體系統(tǒng)可靠性。

在 JC-70 的努力下，GaN Systems 已與多家汽車和工業(yè)客戶合作，以制定戰(zhàn)略和認(rèn)證流程，以確保 GaN Systems 設(shè)備的可靠性和穩(wěn)健性。該策略的關(guān)鍵要素可以概括為器件故障模式、晶體管設(shè)計、測試設(shè)計和制造過程。

Witham 還補充說：“合作的結(jié)果包括作為基準(zhǔn)應(yīng)用的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)和 AEC-Q101 測試，以及針對硅和 GaN 之間在材料和故障模式方面的差異實施的其他測試方法。故障測量是使用 FMEA 和測試到故障方法確定的，并且所有測試均針對外在和內(nèi)在故障模式進(jìn)行。我們將這些程序稱為增強(qiáng)型 JEDEC 和 AutoQual+ 測試。”

經(jīng)過正確的設(shè)計，外在機(jī)制通常是由制造過程中的錯誤引起的——裝配缺陷。這些外在缺陷需要由制造商通過測試篩選出來。另一方面，內(nèi)在機(jī)制是由應(yīng)用中產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)材料的自然降解引起的。

圖 1：H3TRB 測試的延長持續(xù)時間測試示例

為了證明穩(wěn)健性和可靠性，測試已擴(kuò)展到 JEDEC 要求之外。“圖 1 顯示了擴(kuò)展到 JEDEC 的測試性能示例。圖表顯示，在 JEDEC 測試和 AEC-Q101 測試規(guī)范所需測試持續(xù)時間的 5 倍時，性能穩(wěn)定，”Witham 說。

與行業(yè)專家的合作使 GaN System 能夠?qū)嵤┰鰪?qiáng)型 JEDEC 系統(tǒng)，如圖 2 所示。

圖 2：增強(qiáng)型 JEDEC GaN 認(rèn)證

對于汽車合格產(chǎn)品，遵循類似的方法，包括完成標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q101 測試，然后通過增量測試補充這些測試以考慮 GaN 和硅之間的差異。Witham 強(qiáng)調(diào)，資格條件引導(dǎo)我們對系統(tǒng)的整體壽命進(jìn)行定義和估計。他說，“理解生命需要對故障模式、故障機(jī)制、任務(wù)概況和產(chǎn)品設(shè)計有全面的了解。一旦了解了故障機(jī)制，就根據(jù)故障機(jī)制的加速進(jìn)行測試選擇?！?/p>

壽命模型定義了半導(dǎo)體組件如何根據(jù)預(yù)定時間段的預(yù)期運行。這些模型包括使用電壓和溫度或其他因素來計算使用威布爾圖（圖 3 和圖 4）的加速系數(shù)，并確定特定操作條件下的故障時間 (FIT)（任務(wù)配置文件）。

圖 3：壽命加速因素

圖 4：TDSB 威布爾圖示例

“在 GaN Systems 的解決方案中，主要的故障模式是 TDSB（時間相關(guān)肖特基擊穿）。有趣的是，這種失效測試是在較低溫度下進(jìn)行的，因為這種失效機(jī)制在低溫下發(fā)生得更快。這意味著溫度越低，壽命越短，”Witham 強(qiáng)調(diào)說。

在可靠性方面最困難的市場是汽車、工業(yè)和高可靠性航空航天領(lǐng)域。GaN Systems 所做的是與各種客戶采取協(xié)作方式?！拔覀兘M建了一個團(tuán)隊，并確保我們了解什么測試以及他們想看到什么，我們在團(tuán)隊內(nèi)部開發(fā)了測試方法。這樣我們就可以確定，一旦我們完成，客戶就會從他們的角度得到正確的結(jié)果，”Witham 說。

GaN Systems 晶體管的可靠性包括穩(wěn)健的故障模式分析、嚴(yán)格的設(shè)計以及一系列資格和壽命測試。所有這些努力使公司能夠為汽車、工業(yè)和航空航天應(yīng)用提供強(qiáng)大而可靠的解決方案。

審核編輯：郭婷