Spolehlivost GaN HEMT: Průmysl Proč …
Tranzistory s vysokou elektronovou mobilitou GaN (HEMT) se prosazují v polovodičovém průmyslu díky své výjimečné toleranci vůči vysokým teplotám a vysokým hustotám výkonu. Proto mohou být tato zařízení k dispozici v drsnějších podmínkách pro letecké a vojenské aplikace. Ale tato odvětví vyžadují přísné standardy kvality a spolehlivosti pro jakékoli napájecí, křemíkové nebo GaN zařízení, a právě zde se GaN HEMT dostávají do problémů.
Porovnání základních elektrických vlastností nitridu galia HEMT a křemíku MOSFET. Obrázek s laskavým svolením Fujitsu
I když již více než 50 let existují standardizované zkušební metody zabezpečování kvality pro křemíková energetická zařízení, neexistují žádné standardizované testy pro srovnatelná energetická zařízení s nitridem galia (GaN). Proč nelze znovu použít stejné metody? Silikonový test k zajištění jeho spolehlivosti pro GaN? Abychom mohli odpovědět na tuto otázku, můžeme se nejprve podívat na dva tipy, které se zaměřují na vysoce kvalitní testování spolehlivosti: JEDEC a AEC.
Současné zkušební normy: JEDEC a AEC
Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) je zodpovědný za vytvoření komplexní sady standardů paměti pro polovodičové obvody a paměťová zařízení. Již více než padesát let zavádí JEDEC otevřené standardy pro mikroelektroniku od hlavní paměti po širokopásmové polovodiče, jako jsou DDR4. Ačkoli zařízení GaN byla zahrnuta do skupiny širokopásmových polovodičů a JEDEC poskytl dokument pro zařízení pro převod energie GaN v únoru tohoto roku, pouze stanoví zkušební metody pro spolehlivost spínání těchto zařízení.
Přepínací vlastnosti křemíkových MOSFETů proti HEMT nitridu galia. Obrázek s laskavým svolením Fujitsu
Rada pro elektroniku v automobilovém průmyslu (AEC) byla vytvořena společnostmi Chrysler, Ford a General Motors v 90. letech za účelem vytvoření společné kvality dílů pro standardizované automobilové systémy. Výrobci do značné míry spoléhají na pokyny AEC kvůli jasným standardům spolehlivosti pro tranzistory, diody a další diskrétní polovodiče. AEC je možná nejznámější elektronickými designéry pro standard AEC-Q100, který poskytuje pokyny pro testování poruchových mechanismů v integrovaných obvodech. Zatímco AEC poskytuje pokyny pro automobilové, obranné a letecké aplikace, neřeší nově vznikající technologie. Stále více k energetickým zařízením GaN, jako jsou komunikační základnové stanice.
Co je GaN HEMT?
GaN HEMT jsou tranzistory s efektem pole (FET), které se mohou měnit rychleji než tranzistory s křemíkovým výkonem. Tato funkce v kombinaci se sníženou stopou GaN’s HEMTs činí zařízení energeticky efektivnějšími a zároveň vytváří více prostoru pro externí komponenty. Tato zařízení mohou také pracovat při vyšším napětí.
Zjednodušená struktura GaN HEMT. Screenshot použitý se svolením NovaTCAD
Protože však neexistuje jasný způsob, jak otestovat spolehlivost zařízení GaN, je obtížné určit životnost zařízení, poruchovost a relevanci aplikace. Profesor Roberto Menozzi z italské Parmské univerzity diskutoval o nedostatečném testování spolehlivosti zařízení HEMT založených na GaN. „Zdá se, že z vědecké literatury se informační databáze spolehlivosti HEMT založená na GaN vyznačuje některými rysy, které naznačují, že cíl zralosti je stále trochu daleko.“ Standardizovaná metodika testování spolehlivosti, zatímco HEMT založené na GaN je daleko na obzoru, co zatím dělají výrobci, aby pomohli poskytovat kvalitní zařízení GaN?
Společnosti vytvářejí interní testy spolehlivosti HEMT GaN
Aby byla zajištěna spolehlivost GaN HEMT, zavedlo mnoho výrobců polovodičů vlastní interní testovací postupy. Podívejte se, jak vypadají některé standardy specifické pro společnost.
Texas Instruments Společnost TexasSandeep R. Bahl, ředitelka přístrojů a modelování pro spolehlivost GaN, sdílí krátký rozbor metodiky TI pro hodnocení produktů GaN. Za prvé, zátěžový test zrychluje teplotu po určitou dobu. čas strávený na zařízení. Vypočítaný faktor zrychlení pro křemík je asi 0,7 eV aktivační energie; u zařízení GaN se však faktor může pohybovat od 1,05 eV do 2,5 eV. Tento rozsah může vést k nepředvídatelným prostředím, takže je obtížné určit přesnou životnost a přesné režimy selhání.
Schéma testovacího nástroje pro test aplikace indukčního spínání. Obrázek s laskavým svolením společnosti Texas Instruments
TI ohlásil několik problémů při testování zařízení GaN díky široké šířce pásma, která umožňuje zařízení pracovat při vyšších teplotách než křemík. Zatímco TI dodržuje JEDEC a AEC pro testování spolehlivosti, které zahrnuje elektrostatický výboj (ESD), efekty obalů a reakce zařízení v reálných prostředích, Sandeep říká, že pro GaN jsou to definiční testy závislé na výrobci “.
Stejně jako GaN Systems TI vidí GaN Systems hodnotu simulace drsných podmínek pro zátěžové testování k charakterizaci produktů GaN a hledání mechanismů selhání. Společnost GaN Systems našla způsoby, jak upravit testy, které se kdysi používaly v silikonových napájecích zařízeních, aby se určila spolehlivost GaN. Klíčovými prvky GaN Systems pro testování jsou určování režimů poruch, zajištění dlouhodobého opotřebení a simulace skutečných aplikací. Aby bylo možné otestovat minimální nebo nulové selhání, provádí GaN Systems výkonnou analýzu režimů selhání testováním v režimech s rizikem selhání a také provádí relaci zpětné vazby s důvěryhodnými partnery. Během analýzy jsou zařízení po delší dobu vystavena zrychlenému namáhání, teplotě a vlhkosti.GaN Systems dokáže identifikovat vnější a vnitřní poruchy pomocí JEDEC a AEC-Q101 jako základu svých testovacích metod.
MACOM Od roku 2006 MACOM testuje technologii GaN-on-Si pro obranné a vojenské aplikace pro infrastrukturu bezdrátových základnových stanic. Testy se točí kolem práce při extrémních teplotách, vlhkosti a změnách napětí. První MACOM test se nazývá vysoce zrychlený zátěžový test (HAST), který simuluje 20letou životnost systému v 96hodinových zátěžových testech. Intenzivně využívající postupy JEDEC.
Systém automatického zrychleného testu spolehlivosti MACOM může provozovat až 60 zařízení. Obrázek (snímek obrazovky) použitý se svolením MACOM
Dalším krokem ve fázi testování je zkouška HTOL (High Temperature Operating Life), která vyžaduje nulové chyby při provozu při hypotetických teplotách mimo specifikaci datového listu. Stejné schéma se přepne do režimu „vypnuto“, aby se zobrazilo chování zařízení při selhání. Konečným testem spolehlivosti je test ALT (Accelerated Life Stress). Tento test zkoumá zhoršení a selhání zařízení při určování jeho životnosti.
InfineonInfineon Technologies vyvinula čtyřdílný proces charakterizující technologii a produkty CoolGaN 600 V. První fáze vyžaduje, aby vývojáři vytvořili aplikační profil pro zařízení GaN v souladu s pokyny JEDEC a AEC-Q101. Tento profil obsahuje seznam možných stresových faktorů, se kterými se zařízení může během provozu setkat. Druhou fází je vytvoření profilu požadavků na kvalitu, který vyhodnotí cíl koncového zákazníka pro zařízení: očekávaná životnost, maximální četnost Povolené poruchy, limity ESD a požadavky na provozní vlhkost Třetí fáze provádí průzkum spolehlivosti, který je zásadní pro hledání interních a externích poruchových režimů. Dojde-li k poruše, když se zařízení opotřebuje nebo se zhorší kvalita určitých materiálů, test generuje konkrétní poruchu.
Křivka spolehlivosti kyvety Infineon umožňuje sledování mechanismů selhání v průběhu času. Použitý obrázek s laskavým svolením Infineon Technologies
Konečná fáze zahrnuje modelování zhoršení hlavních poruch v zařízeních GaN, jako je „křivka spolehlivosti kyvety“. Tato křivka ukazuje tři režimy poruch: časná životnost, stacionární zóna a zóna opotřebení.
Proč mají výrobci vlastní zkušební metody?
Odpověď je jednoduchá: získejte konkurenční výhodu. Touha zůstat vpřed je hlavním důvodem, proč průmysl nevytváří pro GaN HEMT kolektivně standardizovaný test spolehlivosti a odbornosti. Každá společnost má vlastní privátní GaN IP a provádí testování spolehlivosti pro svá vlastní zařízení. Stanovení celoodvětvového standardu vyžaduje, aby mnozí výrobci spojili své odborné znalosti a dohodli se na provádění desetiletého mezioborového testu.
