确定GaN产品可靠性的综合方法.docx

确定GaN产品可靠性的综合方法I1.正在设计基于GaN原理的综合质量保证计划和相关的应用测试来提供可靠的GaN解决方.案。级化钱(GaN)的材料屈性可使电源开关具有令人兴奋且具有突破性的全新特性一功率GaM高电子迁移品体管(HIiMT)HEMT是一种场效应晶体管(FET),会使导通电阻会低很多。它的开关频率要比同等大小的硅功率晶体管要快.这些优势使得功率转换的能效更高，并且能够更加有效地使用空间。GaN可以安装在硅基板上，这样可充分利用硅制造能力，并实现更低的成本。然而，在使用新技术时，需要验证这项技术的可靠性。这份白皮书的主题恰恰是GaN器件质量鉴定。简介由于有超过30年的经验，并且经过不断改进，这个行业理所当然地认为硅功率晶体管具有很高的稳定性。这种长期的用户体验已经形成了一整套成熟的版量鉴定法方法体系：在这个方法体系中，可范性和J贞量由运行标准化测试进行认证。这些测试来源于故障模式理解、激励能量和加速因子方面的深入研究，以及推测使用寿命、故障率和缺陷率的统计与数学框架的开发.由丁数代硅厘可以在实际使用条件下，实现用正使用寿命内的正常运行，这个质量鉴定方法体系现在己经被证明是有效且实用的。然而，GaN晶体管是近期才被开发出来的器件。更加昂贵的碳化硅基板上的正GaNHE灯已经被广泛应用于无线基站内，并且其可靠性已经得到验证1 .虽然基于相似的基本原理，功率GaNHEMT在实现更高电压处理方面增加更多的特性“它植根F硅基板上，并且使用与硅制造兼容的材料来降低成本.此外，出于故障安全的原因，它需耍是一个增强模式(e-node),或者是常关器件。主要有三种架构，1 .与个1.gdeSiFET共源共助的耗尽模式d-mode)绝缘棚极GaNHEUT；2.e-mode绝缘栅极GaNHEMT；3.P型e-mod。结栅极GaNHEMT.这三款器件会由于臼身的原因，以及硅FET的影响而具有不同的故障模式，问题是如何鉴定它们的质量。基于睢的标准质量鉴定方法是一个有价值且具有里程碑意义的质量和可靠性鉴定方法，但不清楚的是，在罂件使用寿命、故障率和应用相关性方面它对于GaN晶体管的效用如何.德州仪器(TI)是半导体技术方面的行业领导广,在将可狂的半导体产品推向市区方面具有长期的经验，其中包括铁电随机访问存储器(FRAM)等非硅材料技术。在通过GUN相关质量鉴定方法体系和应用相关测试，把可靠的GaN产品推向市场方面，我们具有很大的优势。标准质量鉴定方法体系在鉴定硅功率器件质量方面，有两个标准化组织的质量鉴定方法体系得到广泛使用：联合虹设备工程委员会(JEDEC)：和汽车电子协会(AEC)2,3,4,5«这些标准指定了很多测试,其中可以分为三类：岸电放电(ESD),封装和器件。静电放电要求是一项强制的操作标准，所以ESD标准不太可能会发生变化。封装测试与那些针对硅芯片、己经完成的测试相类似，需耍找到导致故障的根本原因，以强调意外的故障机制。之前在硅芯片中使用的后端处理也同样用于GaN,在这个背景下，由于封装应力、结合表面相互作用等问烟比较常见，所以这个相似性也就凸现出来。然而，这个器件类别是全新的，并因此具有特别的重要性。后面的段落检查了标准硅芯片J贞曼鉴定方法体系，并I1.描述f如何将这一方法体系应用T-GaNe对于硅芯片质量鉴定来说，标准应力下的运行时间为100Oh,结温至少为125oCe假定激活能量为0.7eV,指定温度加速因子为78.62°这使得125°C结温下的100oh运行时间所受应力等于TJ=55°C情况下，9年运行时间内所受应力。器件在它们的圾大运行电压卜进行质量鉴定。对于分立式功率FET,这通常选择为最小击穿电压技术规格的80这意味着，在质量鉴定测试条件下，没有内宜的电压加速：电压加速只由温度实现。由干Tj在55。C以上，通常情况下75°C,这一点会对功率器件产生巨大影响“这个标准还指定J'3个批次的产品，每个批次有77个部件，不应在应力下出现故障.231个部件中的零故隙标准意味着批内缺陷允许百分比(1.TPD)的值为12。这表示，你有9成的把握地宣称，在推测的应力条件下，一个批次内有令的部件是有缺陷的。换句话说,在Tj=55°C的温度条件卜运行9年，在最大工作电压上被偏置。最初地最大故障率(FIT)大约为50。Tj=55°C下的Frr也是使用07eV的激活能量，从231个部件的零故障结果中得出。然而，除/静态测忒，还有一个动态测试它被非常宽泛地定义为“有可能在一个动态工作模式下运行的器件”3。由匚曲对测试进行定义。由于很难指定一个与大范囹不断发屣的应用和技术相对应的测试，所以缺少指定测忒。指定测试也许不能与实际使用环境适当关联，并且有可能产生错误故障，或者无法加快有效故障机制7。对于睢FET来说，已经在很多年的实际使用过程中建立起来质量鉴定方法体系的可信度。与GaN等全新技术不同的是，器件厂商负责确定它们的动态测武可以预测实际使用的运行情况因此，需要开发出应用相关的应力测试,可以在实际使用条件下验证可靠性。最后，需要注意的一点是，GaN无法耐受雪崩能量,也就是说，器件将在被击穿时损坏。这是一个需要解决的何超，特别是对于功率因数校正(出壬)电路等商亟应用来说更是如此：在这些应用中，器件会受到有可能出现的过压事件的影响，比如说电力线路上的闪电尖峰放电。标准质量签定方法体系的适用性JEDEC和AEC标准均基于健全完善的基本原理，不过技术上比较落后。虽然通过硅产品质量鉴定是一件有价值的、里程碑式的亚大事件，但是用户需要一个能够在实际使用条件卜.，在所需的使用寿命内，比如说10年，以低故障率持续运行的产品。因此，推出FRAV、成比例CMOS、GaN等新技术的公司需要了解这些标准的基本原理。在JEDEC质量鉴定方法体系中,主要的促进要素是温度。根据方程式eq.(1)计算出加速因子(I),在这里EA是激活能量,而k是玻尔兹曼常数。如果在应力温度Tj=125°C、使用温度Tj=55°C,并口激励能量大约为0.7eV的情况下使用eq(1),得出的加速因子将为7&6.这也是Tj=125°C情况下100oh应力大致相当于Tj=55°C情况下使用10年的原因。在已经发表的文献中，GaN的激励能量8在1.05到2.5eV之间变化。这些宽范用的值表现出世界上不同实验室和公司内器件、工艺和材料间的差异。这个范用能够提供大幅变化的加速因子，比如EA=1.05eV下的687到EA=2.5W下5百万以上的值.因此,有必要确定与工艺和最终产品的器件架构有关的激励能量。将实际运行中的结温考虑在内也很重要。由丁其所具有的宽带隙，相时下硅材料，GUN能够在更高的温度环境中运行。这一点对于电力电子产品很猛要。表1是125°C应力温度卜的IO(M)h硅技术规格与其它几种情况卜的比较。从表1中可以看出，如果格要105°C的结工作温度，假定激活能量为07Z.非加速时间从9年减少为0.3年。通过将应力湿度增加到150°C(这是一个针对标准封装的实际限值)，有可能将这个时间增加到1.1.年.在这个情况下，应力测试并不符合现场等效使用寿命，或者解免出大约50F1.T的最大F1.T率条件。然而，它的确是一项可驿且高质量的里程碑式的测限方法。代表10年使用时间的100Oh应力测试需要一个值为87.6的加速因子，并且在1.37的激励能量卜.实现，诸如参考文献8中1.05eV的更低激励能量将需要2.84倍的电压加速.或者大约延长6到17周的持续时间。过多的电压加速会导致不具代表性的故附模式，而持续时间扩展延长了新产品的开发时间。根据故障模式和封装内可提供的加速的不同，也许无法实现能够表示所需现场等效使用寿命的质量鉴定测试。使用寿命要求由晶限级可靠性测试提供保证，并且由已封装部件的扩展持续时间应力测试进行验证。表1：不I可应力参数时可靠性和质量推测数据的影响根据GaN的特定故障模式来设定故障标准很重要。个特别的故障就是动态RdS导通电阻增加，也被称为电流崩塌.这一故障由缓冲和顶U的负电荷陷获所导致9,10。电荷会在施加高压时被诱陷，并且不会在器件接通时立即耗散。被陷获的负电荷排斥来自通道层的电子，而RdS导通电阻会由于通道层内的电子数量的减少而增加（图1）。随后,RdS导通电阻随着被陷获电荷的耗散而恢电.这影响降低了效率，并I1.会使得器件自发热量过多，并口会过早地出现故障.图1：一个GaY器件的电路横截面显示被陷获的电子如何通过减少通道层中的电子数量来增加Rds导通电阻。此外，陷获密度会随着裾件老化而增加，从而使得动态RdS导通电阻的即响更加严重。我们有专门的便住来监视应力测试过程中的动态Rds导通电阻，这使得我们能够确保发布的产品没有这方面的问题。应用相关冽试虽然纥测试方法在对大量部件进行测试时相对简单，它们也许不能预测GaN是否在实际应用中具有10年的使用寿命。硬开关应力不同于I）C应力。硬开关功率盥罂具有电感开关变换，在这个期间，器件同时受到高电流和高压的影响。由丁FET通道需要漏电压，Vds,下降前港人整个电感器电流,并且对那个节点上的其它器件进行反向恢豆放电，接通变换是一个应力最商的过程。它还需要在VdS卜.降时承载涔件放电输出和开关节点电容内的额外电源。由于FET通道在VdS较低，并11电感器电流为各自的电挖盗充电时关闭，所以关团的应力相对较低。罂件应力由使用图2中所示拓扑的升压转换器显示。图3中显示的是初级恻开关（FET1.）上硬开关接通变换的磔结果。输入电质为200V,而电感器电流为5A（负载电流大约为2.5A）.在这个情况下，当FET1.关闭时，由于钳制FET（IET2）导电,它的漏电压大约钳制在400丫。因此，当FET1.接通时,它需要在YdS开始卜.降之前流入推个电感器电流（区域A）O图2：个简单的升压转换器拓扑。图3：针对个硬开关变换的接通转换。随着漏电压卜.降（区域B）,FET需要将开关节点上的电容器放电。这些电容器中的电荷来自钳制FET、电路板引线和其它连接的组件。由于使用了GaNFET,没有来自这个钳位的反向恢复电流“Y-I关系曲线（图4显示出，在嬴VdS时，会汲取大量电流。在这个情况下，大约比电感器电流高6八。由于FET的漏电容通过通道放电，实际的FET通道电流更高。例如，值为50pF,转换率为60Vns的海电容会增加额外的3A电流。图4：一个电盛开关变换的VT关系曲线显示出温极偏过电压较高时会出现数量可观的电流。FET漏电容的放电增加了额外的通道电流，例如，60Vns的50PF电容值会增加3A电流。硬开关期间，高VdS时充足的FET通道电潦会导致热我潦子生成，正因如此，潺件需要稳健耐用。此外，大器件阵列会遇到不一致的开关，这有可能会使器件电流湎入最先接通的那一部分冷件阵列，并I1.超过本地额定值。高dv/dt开关还会错误地将电容电流引入器件的某一区域，比如说遍土。需要完成可靠性测试，特别是在需要确保器件在硬开关应用中的稳健耐用性时更是如此，并且可靠开关安全工作区（SOA）限定了器件的用户使用条件。为了验证硬开关稳健耐用性，TI已经开发出一个基于简单升压转换器的电感开关单元（图5）。根据JEDEC建议7进行选型，即“取决于故障模式和所关心的机制，由于实际产品更杂度有可能会掩盖固有的故障机制，所以试验模型也许更受欢迎。”图5：针对电感开关应用测试的试验模型。当GaNFET关闭时，电感器电流通过一个三地再次流至输入湍，这就免除了对负载史图暹的需要，并且能够达到节能的目的。这个单元与处于连续电流模式卜的电感器一同运行。由于目标是开关变换，通过使用短占空比，可以达到节能的目的。这个元件能够改变施加的电压、电流、频率，以及罂件所处环境的温度。额外的漏电流（图4）由二极管电容提供.可以按照需要增加额外电容。这个元件还具有个硬件，可以在开关变换的1微秒后测量器件的动态导通电阻（dRds-on）«由于dRds-on会随着应力而增加，从而导致导电损耗增加、效率降低，因此这个实时监视功能是很有必要的。在一个产品中，不断增加dRds-on聘导致过多的器件臼发热和过热故障。由于RdS-On性能卜降会恢发，不太可能通过将应力停止，在“上拉或卜拉点''上获得这些数据。监视这个关键GaN故障参数使我们能够避免发布的产品出现这个问题。除了电感开关测试，GaN多芯片模块需要在系统中进行评估,并且在实际的产品使用条件下运行.这样可以验证与其它系统组件的交互作用，并且暴客出未知的故障机制.即使单个组件是可靠的，它们之间的交互作用也可能会在意料之外。例如，在一个共源共栅Gd器件中，通过GaN器件漏源电容的电荷战合会使得硅共源共栅潺件在关闭变换期间出现雪崩击穿11o有必要专门来说一说雪崩击穿的耐受性。目前，GaNHEMT并未显现出雪崩能力。由于GaN本身是支持雪崩的，所以这也许会随着技术成熟而得以改进12。与此同时，我们正在设计具有足够裕量的T1.产晶，来解决遇到的过用情况.例如，在PFC应用的情况下,如果电力线被闪电击中时,FET上的电压有可能瞬时上升到高达700V。对于这个应用，将制造能够至少耐受750V尖峰电压的GaN器件。结论德州仪器(TI)在硅产品质量鉴定方面据有长期的专业知识积崇，我们将这些专业知识应用于GaN的质量鉴定方.面。这就需要亚新学习基本原理，以理解硅质量鉴定过程的起源，以及根据GaN特定故障、激励能量和加速因子来创建测试。它还涉及针对相关应用中GaN的侦星鉴定，其方法是在个特殊电感开关试验模型中进行应力测试，并I1.在实际产品配置中运行制件。叁考文献1. 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