如何確定GaN電源的質(zhì)量和可靠性

氮化鎵 （GaN） 晶體管無疑提高了電源系統(tǒng)性能并降低了組件的相對成本。但在質(zhì)量和可靠性方面，GaN 與硅和碳化硅對應(yīng)物相比如何？

GaN Systems首席執(zhí)行官 Jim Witham 在接受 EE Times 采訪時強(qiáng)調(diào)了功率晶體管行業(yè)如何熟悉以硅晶體管為基礎(chǔ)的聯(lián)合電子器件工程委員會 （JEDEC） 標(biāo)準(zhǔn)中的資格指南。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(bǔ)充說：“這項(xiàng)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，需要 8，000 小時使用壽命的內(nèi)燃機(jī)汽車已大幅增加，而 HEV/EV 車載充電器需要超過 30，000 小時 - 幾乎增加了四倍?！?/p>

行業(yè)方法

GaN 行業(yè)旨在證明 GaN 解決方案的 預(yù)期壽命至少與硅 MOSFET 相同，理想情況下，壽命更長。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(bǔ)充說，行業(yè)聯(lián)盟正在努力克服差異——采用不同技術(shù)的供應(yīng)商會產(chǎn)生偏見，而供應(yīng)商則有不同的商業(yè)利益。有些有硅和氮化鎵；有些只有GaN；其他的有硅、碳化硅和氮化鎵。

“我認(rèn)為關(guān)鍵要素之一是產(chǎn)品開發(fā)周期，”Witham 說?！拔覀兪紫纫龅氖窃O(shè)計(jì)產(chǎn)品。其次是資格認(rèn)證，我們對產(chǎn)品施加高電壓、高溫、高相對濕度和高頻率的壓力。進(jìn)行資格測試以確保半導(dǎo)體器件在應(yīng)力前后均按設(shè)計(jì)運(yùn)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(jì)和延長使用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?！?/p>

威瑟姆指出，然而，存在幾個挑戰(zhàn)。失敗機(jī)制可能因供應(yīng)商而異。一些供應(yīng)商可能沒有正確的知識。對于其他了解其故障機(jī)制的公司，這些公司可以將其機(jī)制與測試和設(shè)計(jì)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 努力的同時，GaN Systems 還與多家汽車和工業(yè)客戶合作制定戰(zhàn)略和認(rèn)證流程，以確保 GaN Systems 器件的可靠性和穩(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(jì)、測試設(shè)計(jì)和制造過程。

Witham 補(bǔ)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 在材料和故障模式方面的差異實(shí)施的其他測試方法。使用 FMEA 和故障測試方法確定故障測量，并且針對外部和內(nèi)部故障模式執(zhí)行所有測試。我們將這些程序稱為增強(qiáng)型 JEDEC 和 AutoQual+ 測試?！?/p>

在正確設(shè)計(jì)之后，外部機(jī)制通常是由制造過程中的錯誤——裝配缺陷引起的。這些外在缺陷需要通過制造商的測試來篩選掉。另一方面，內(nèi)在機(jī)制是由材料在應(yīng)用產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)自然降解引起的。

為了證明穩(wěn)健性和可靠性，測試已經(jīng)超出了 JEDEC 的要求?！皥D 1顯示了擴(kuò)展到 JEDEC 的測試性能示例，”Witham 說?！皥D表顯示，在 JEDEC 測試和 AEC-Q101 測試規(guī)范所需的測試持續(xù)時間的 5 倍時，性能穩(wěn)定。”

圖 1：H3TRB 測試的延長持續(xù)時間測試示例

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

圖 2：增強(qiáng)型 JEDEC GaN 認(rèn)證

對于符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，采用類似的方法，包括完成標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q101 測試，然后通過增量測試補(bǔ)充這些測試，以考慮 GaN 和硅之間的差異。Witham 說，資格認(rèn)證引導(dǎo)我們對系統(tǒng)的整體壽命進(jìn)行定義和估計(jì)。“了解生命需要全面了解故障模式、故障機(jī)制、任務(wù)概況和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。一旦了解了失效機(jī)制，就會根據(jù)失效機(jī)制的加速執(zhí)行測試選擇?！?/p>

壽命模型定義了半導(dǎo)體組件在預(yù)定時期內(nèi)如何根據(jù)預(yù)期表現(xiàn)。這些模型包括使用電壓和溫度或其他因素來使用 Weibull 圖表（圖 3和圖4）計(jì)算加速因子，并確定特定操作條件（任務(wù)配置文件）下的故障及時 （FIT）。

圖 3：壽命加速因子

圖 4：TDSB Weibull 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］，”Witham 說?！坝腥さ氖?，這種失效測試是在較低溫度下進(jìn)行的，因?yàn)檫@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?！?/p>

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(duì)，為了確保我們了解什么測試以及他們想要看到什么，我們在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部開發(fā)了測試方法，這樣我們就可以確保一旦我們完成了，客戶就會從他們的角度得到正確的結(jié)果。視圖，”威瑟姆說。

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(jì)以及一系列資格和壽命測試。所有這些努力使公司能夠?yàn)槠嚒⒐I(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