如何确定GaN电源的质量和可靠性

氮化镓 （GaN） 晶体管无疑提高了电源系统性能并降低了组件的相对成本。但在质量和可靠性方面，GaN 与硅和碳化硅对应物相比如何？

GaN Systems首席执行官 Jim Witham 在接受 EE Times 采访时强调了功率晶体管行业如何熟悉以硅晶体管为基础的联合电子器件工程委员会 （JEDEC） 标准中的资格指南。但是对于 GaN，器件材料不同，因此失效模式和机制也不同。

Witham 指出，确定在 JEDEC 和 AEC-Q 下测试 GaN的指南 是 GaN 行业研究工作的一部分。他补充说：“这项分析的一个结果是，影响电子系统寿命的任务概况正在发生变化。例如，需要 8，000 小时使用寿命的内燃机汽车已大幅增加，而 HEV/EV 车载充电器需要超过 30，000 小时 - 几乎增加了四倍。”

行业方法

GaN 行业旨在证明 GaN 解决方案的 预期寿命至少与硅 MOSFET 相同，理想情况下，寿命更长。该行业和 JEDEC JC-70 委员会正在努力为 GaN 和 SiC 器件定义一系列测试、条件和通过/失败标准，以确保系统可靠性并加速市场发展。Witham 补充说，行业联盟正在努力克服差异——采用不同技术的供应商会产生偏见，而供应商则有不同的商业利益。有些有硅和氮化镓；有些只有GaN；其他的有硅、碳化硅和氮化镓。

“我认为关键要素之一是产品开发周期，”Witham 说。“我们首先要做的是设计产品。其次是资格认证，我们对产品施加高电压、高温、高相对湿度和高频率的压力。进行资格测试以确保半导体器件在应力前后均按设计运行。接下来，我们对产品进行故障测试，以表明所有故障模式都已被理解。然后关键是确保这些信息包含在产品开发周期中。了解故障模式、重新设计和延长使用寿命的整个过程非常关键。那么证据就在数字中。因此，我们已经证明，GaN Systems 晶体管的使用寿命与最好的硅功率晶体管一样好或更好。”

威瑟姆指出，然而，存在几个挑战。失败机制可能因供应商而异。一些供应商可能没有正确的知识。对于其他了解其故障机制的公司，这些公司可以将其机制与测试和设计联系起来，以确保 GaN 晶体管的长寿命和整体系统可靠性。

在 JC-70 努力的同时，GaN Systems 还与多家汽车和工业客户合作制定战略和认证流程，以确保 GaN Systems 器件的可靠性和稳健性。该策略的关键要素可以概括为器件故障模式、晶体管设计、测试设计和制造过程。

Witham 补充说：“合作的结果包括作为基准应用的 JEDEC 标准和 AEC-Q101 测试，以及针对硅和 GaN 在材料和故障模式方面的差异实施的其他测试方法。使用 FMEA 和故障测试方法确定故障测量，并且针对外部和内部故障模式执行所有测试。我们将这些程序称为增强型 JEDEC 和 AutoQual+ 测试。”

在正确设计之后，外部机制通常是由制造过程中的错误——装配缺陷引起的。这些外在缺陷需要通过制造商的测试来筛选掉。另一方面，内在机制是由材料在应用产品的整个生命周期内自然降解引起的。

为了证明稳健性和可靠性，测试已经超出了 JEDEC 的要求。“图 1显示了扩展到 JEDEC 的测试性能示例，”Witham 说。“图表显示，在 JEDEC 测试和 AEC-Q101 测试规范所需的测试持续时间的 5 倍时，性能稳定。”

图 1：H3TRB 测试的延长持续时间测试示例

与行业专家的合作使 GaN Systems 能够实施增强的 JEDEC 系统，如图 2 所示。

图 2：增强型 JEDEC GaN 认证

对于符合汽车标准的产品，采用类似的方法，包括完成标准 AEC-Q101 测试，然后通过增量测试补充这些测试，以考虑 GaN 和硅之间的差异。Witham 说，资格认证引导我们对系统的整体寿命进行定义和估计。“了解生命需要全面了解故障模式、故障机制、任务概况和产品设计。一旦了解了失效机制，就会根据失效机制的加速执行测试选择。”

寿命模型定义了半导体组件在预定时期内如何根据预期表现。这些模型包括使用电压和温度或其他因素来使用 Weibull 图表（图 3和图4）计算加速因子，并确定特定操作条件（任务配置文件）下的故障及时 （FIT）。

图 3：寿命加速因子

图 4：TDSB Weibull 图示例

“在 GaN Systems 的解决方案中，主要的故障模式是 TDSB ［时间相关肖特基击穿］，”Witham 说。“有趣的是，这种失效测试是在较低温度下进行的，因为这种失效机制在低温下发生得更快。这意味着温度越低，寿命越短。”

可靠性方面最困难的市场是汽车、工业和高可靠性航空航天领域。GaN Systems 所做的是与各种客户采取协作方式。“我们组建了一个团队，为了确保我们了解什么测试以及他们想要看到什么，我们在团队内部开发了测试方法，这样我们就可以确保一旦我们完成了，客户就会从他们的角度得到正确的结果。视图，”威瑟姆说。

GaN Systems 晶体管的可靠性包括稳健的故障模式分析、严格的设计以及一系列资格和寿命测试。所有这些努力使公司能够为汽车、工业和航空航天应用提供强大而可靠的解决方案。

审核编辑：郭婷