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

GaN Systems首席執(zhí)行官 Jim Witham 在接受 EE Times 采訪(fǎng)時(shí)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(huì) （JEDEC） 標(biāo)準(zhǔn)中的資格指南。但是對(duì)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(cè)試 GaN的指南 是 GaN 行業(yè)研究工作的一部分。他補(bǔ)充說(shuō)：“這項(xiàng)分析的一個(gè)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(shí)使用壽命的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)已大幅增加，而 HEV/EV 車(chē)載充電器需要超過(guò) 30，000 小時(shí) - 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(zhǎng)。該行業(yè)和 JEDEC JC-70 委員會(huì)正在努力為 GaN 和 SiC 器件定義一系列測(cè)試、條件和通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)，以確保系統(tǒng)可靠性并加速市場(chǎng)發(fā)展。Witham 補(bǔ)充說(shuō)，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(huì)產(chǎn)生偏見(jiàn)，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(kāi)發(fā)周期，”Witham 說(shuō)?！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(duì)產(chǎn)品施加高電壓、高溫、高相對(duì)濕度和高頻率的壓力。進(jìn)行資格測(cè)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(lái)，我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行故障測(cè)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(kāi)發(fā)周期中。了解故障模式、重新設(shè)計(jì)和延長(zhǎng)使用壽命的整個(gè)過(guò)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。”

威瑟姆指出，然而，存在幾個(gè)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(méi)有正確的知識(shí)。對(duì)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(cè)試和設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，以確保 GaN 晶體管的長(zhǎng)壽命和整體系統(tǒng)可靠性。

在 JC-70 努力的同時(shí)，GaN Systems 還與多家汽車(chē)和工業(yè)客戶(hù)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(cè)試設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。

Witham 補(bǔ)充說(shuō)：“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(cè)試，以及針對(duì)硅和 GaN 在材料和故障模式方面的差異實(shí)施的其他測(cè)試方法。使用 FMEA 和故障測(cè)試方法確定故障測(cè)量，并且針對(duì)外部和內(nèi)部故障模式執(zhí)行所有測(cè)試。我們將這些程序稱(chēng)為增強(qiáng)型 JEDEC 和 AutoQual+ 測(cè)試?！?/p>

在正確設(shè)計(jì)之后，外部機(jī)制通常是由制造過(guò)程中的錯(cuò)誤——裝配缺陷引起的。這些外在缺陷需要通過(guò)制造商的測(cè)試來(lái)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(gè)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(cè)試已經(jīng)超出了 JEDEC 的要求。“圖 1顯示了擴(kuò)展到 JEDEC 的測(cè)試性能示例，”Witham 說(shuō)?！皥D表顯示，在 JEDEC 測(cè)試和 AEC-Q101 測(cè)試規(guī)范所需的測(cè)試持續(xù)時(shí)間的 5 倍時(shí)，性能穩(wěn)定?！?/p>

圖 1：H3TRB 測(cè)試的延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間測(cè)試示例

與行業(yè)專(zhuān)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(duì)于符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，采用類(lèi)似的方法，包括完成標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q101 測(cè)試，然后通過(guò)增量測(cè)試補(bǔ)充這些測(cè)試，以考慮 GaN 和硅之間的差異。Witham 說(shuō)，資格認(rèn)證引導(dǎo)我們對(duì)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(huì)根據(jù)失效機(jī)制的加速執(zhí)行測(cè)試選擇。”

壽命模型定義了半導(dǎo)體組件在預(yù)定時(shí)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(lái)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(shí) （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(shí)間相關(guān)肖特基擊穿］，”Witham 說(shuō)?！坝腥さ氖?，這種失效測(cè)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(chǎng)是汽車(chē)、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(hù)采取協(xié)作方式?！拔覀兘M建了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，為了確保我們了解什么測(cè)試以及他們想要看到什么，我們?cè)趫F(tuán)隊(duì)內(nèi)部開(kāi)發(fā)了測(cè)試方法，這樣我們就可以確保一旦我們完成了，客戶(hù)就會(huì)從他們的角度得到正確的結(jié)果。視圖，”威瑟姆說(shuō)。

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(cè)試。所有這些努力使公司能夠?yàn)槠?chē)、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