如何进行GaN的可靠性测试？

GaN晶体管提高了电源系统性能，同时又降低了组件成本。但是，作为一项相对崭新的技术，我们将如何评估其质量和可靠性？

GaN Systems首席执行官Jim Witham回答了此问题。JEDEC此前所做的以硅晶体管为基础的测试标准，对于GaN，材料不同，因此失效模式和机理也不同。

Witham指出，在JEDEC和AEC-Q下测试GaN的准则是GaN行业研究的工作的一部分。他说道：“这项分析的结果是，影响电子系统寿命的任务配置正在改变。例如，对于需要> 30000小时寿命的HEV / EV车载充电器，相比8000小时使用寿命的汽油车的标准已大大增加，几乎增长了4倍。”

从行业普遍方法说开

GaN领域正在试图证明GaN解决方案至少具有与硅MOSFET相同的预期寿命，理想情况下具有更好的寿命。半导体行业和JEDEC JC-70委员会正努力为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，该行业协会正在努力克服差异化，因为不同技术的供应商会产生偏差，此外供应商具有不同的商业利益——一些拥有硅和GaN，一些只有GaN，还有一些供应商包括硅，SiC和GaN。

“我认为关键要素之一是产品开发周期。我们首先要做的是设计产品，其次是资格鉴定，我们会在一段时间内对产品施加高电压，高温，高湿度和高频等特性。进行资格测试以确保半导体器件在任何时刻都可以按设计指标工作。接下来，我们对产品进行故障测试以表明所有故障模式都可以充分解读。然后，关键是确保将此信息贯彻在产品开发周期中。了解故障模式，重新设计，延长使用寿命的整个过程非常关键。我们最终证明了GaN Systems晶体管的寿命与最佳的硅功率晶体管的寿命相同或更好。” Witham说。

Witham指出，目前仍然存在一些挑战，失效机制可能因供应商而异，一些供应商可能没有正确的知识。对于了解故障机制的其他人，这些公司可以将其失效机制与测试和设计相关联，以确保GaN晶体管的使用长寿命以及整个系统的可靠。

在JC-70的努力的同时，GaN Systems与一些汽车和工业客户进行了合作，以制定战略合作和鉴定程序，确保GaN Systems器件的可靠性和耐用性。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：“合作的结果包括将JEDEC标准和AEC-Q101测试用作基准，以及针对材料和失效模式方面的硅和GaN之间差异化的其他测试方法。使用FMEA和测试直到失败的方法来识别测量结果，并且所有测试都是针对外部和内部失败模式进行的。我们称这些程序为增强型JEDEC和AutoQual +测试。”

经过适当的设计后，外部机制通常是由制造过程中的错误（即组装缺陷）引起的。这些外部缺陷需要通过制造商的测试来筛选出来。另一方面，内在的机理是由材料在应用中的整个使用期内的自然老化而引起的。

图1：H3TRB测试的延长测试时间示例（来源：GaN Systems）

为了证明其坚固性和可靠性，H3TRB测试已经超出了JEDEC的要求进行了测试。 Witham说：“扩展到JEDEC的测试性能的示例如图1所示。该图显示了JEDEC测试和AEC-Q101测试规范所需的5倍测试时间下的稳定性能。”

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

图2：增强型JEDEC GaN鉴定标准（来源：Gan Systems）。

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，然后在增量测试中进行补充以考虑差异GaN和硅之间的关系。“资格认证使我们朝着定义和估计系统整体寿命的方向发展，”Witham强调道：“了解全生命周期需要对故障模式，故障机制，任务概况和产品设计有完整的了解。一旦了解了故障机制，就根据故障机制的加速度执行测试选择。”

生命周期模型定义半导体组件在预定时间段内将如何根据预期表现。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下的时间失效（FIT）。

图3：寿命加速因子（来源：GaN Systems）


图4：TDSB Weibull图示例（来源：GaN Systems）

“在GaN Systems的解决方案中，主要的故障模式是TDSB（随时间变化的肖特基击穿）。有趣的是，此故障测试是在较低温度下进行的，因为这种故障机制在低温下发生得更快。这意味着温度越低，寿命越低。” Witham强调。

就可靠性而言，最困难的市场是汽车、工业和高可靠性军事及航空领域。GaN Systems所做的是与各种客户采取协作方法。“我们组成了一个团队，为确保我们了解需要进行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。这样我们可以确保一旦完成，客户将从他们的角度获得正确的结果。”Witham说。

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