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