通过测试和认证确保GaN的可靠性

GaN 晶体管提高了电源系统的性能，同时还能降低组件成本。但是我们如何评估它的质量和可靠性呢？

GaN Systems 的首席执行官 Jim Witham回答了我们关于此事的问题，并描述了功率晶体管行业如何熟悉联合电子器件工程委员会 (JEDEC) 中以硅晶体管标准为基础的资格指南。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，内燃机汽车需要 8,000 小时的使用寿命，而 HEV/EV 车载充电器需要超过 30,000 小时，几乎增加了 4 倍”。

行业方法

该氮化镓产业的目的是证明氮化镓的解决方案至少有相同的预期寿命为硅MOSFET，理想，美好的生活。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——具有不同技术的供应商和具有不同商业利益的供应商——一些拥有硅和 GaN，一些只有 GaN，其他一些拥有硅、碳化硅和 GaN。

“我相信关键要素之一是产品开发周期。我们首先要做的是设计一个产品。其次是资格，我们对产品施加高压、高温、高相对湿度和高频的压力。执行资格测试以确保半导体器件在应力之前和之后都按设计运行。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，关键是确保将这些信息包含在产品开发周期中。了解故障模式、重新设计、获得更长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，”Witham 说。

然而，Witham 指出存在一些挑战。故障机制因供应商而异。一些供应商可能没有正确的知识。对于了解故障机制的其他公司，这些公司可以将他们的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 的努力下，GaN Systems 已与多家汽车和工业客户合作，以制定战略和认证流程，以确保 GaN Systems 设备的可靠性和稳健性。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 还补充说：“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 之间在材料和故障模式方面的差异实施的其他测试方法。故障测量是使用 FMEA 和测试到故障方法确定的，并且所有测试均针对外在和内在故障模式进行。我们将这些程序称为增强型 JEDEC 和 AutoQual+ 测试。”

经过正确的设计，外在机制通常是由制造过程中的错误引起的——装配缺陷。这些外在缺陷需要由制造商通过测试筛选出来。另一方面，内在机制是由应用中产品在整个生命周期内材料的自然降解引起的。

图 1：H3TRB 测试的延长持续时间测试示例

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

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

图 2：增强型 JEDEC GaN 认证

对于汽车合格产品，遵循类似的方法，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 强调，资格条件引导我们对系统的整体寿命进行定义和估计。他说，“理解生命需要对故障模式、故障机制、任务概况和产品设计有全面的了解。一旦了解了故障机制，就根据故障机制的加速进行测试选择。“

寿命模型定义了半导体组件如何根据预定时间段的预期运行。这些模型包括使用电压和温度或其他因素来计算使用威布尔图（图 3 和图 4）的加速系数，并确定特定操作条件下的故障时间 (FIT)（任务配置文件）。

图 3：寿命加速因素

图 4：TDSB 威布尔图示例

“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）。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，”Witham 强调说。

在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，并确保我们了解什么测试以及他们想看到什么，我们在团队内部开发了测试方法。这样我们就可以确定，一旦我们完成，客户就会从他们的角度得到正确的结果，”Witham 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