氮化鎵 （GaN） 晶體管無疑提高了電源系統性能并降低了組件的相對成本。但在質量和可靠性方面，GaN 與硅和碳化硅對應物相比如何？

GaN Systems首席執行官 Jim Witham 在接受 EE Times 采訪時強調了功率晶體管行業如何熟悉以硅晶體管為基礎的聯合電子器件工程委員會 （JEDEC） 標準中的資格指南。但是對于 GaN，器件材料不同，因此失效模式和機制也不同。

Witham 指出，確定在 JEDEC 和 AEC-Q 下測試 GaN的指南 是 GaN 行業研究工作的一部分。他補充說：“這項分析的一個結果是，影響電子系統壽命的任務概況正在發生變化。例如，需要 8，000 小時使用壽命的內燃機汽車已大幅增加，而 HEV/EV 車載充電器需要超過 30，000 小時 - 幾乎增加了四倍。”

行業方法

GaN 行業旨在證明 GaN 解決方案的 預期壽命至少與硅 MOSFET 相同，理想情況下，壽命更長。該行業和 JEDEC JC-70 委員會正在努力為 GaN 和 SiC 器件定義一系列測試、條件和通過/失敗標準，以確保系統可靠性并加速市場發展。Witham 補充說，行業聯盟正在努力克服差異——采用不同技術的供應商會產生偏見，而供應商則有不同的商業利益。有些有硅和氮化鎵；有些只有GaN；其他的有硅、碳化硅和氮化鎵。

“我認為關鍵要素之一是產品開發周期，”Witham 說。“我們首先要做的是設計產品。其次是資格認證，我們對產品施加高電壓、高溫、高相對濕度和高頻率的壓力。進行資格測試以確保半導體器件在應力前后均按設計運行。接下來，我們對產品進行故障測試，以表明所有故障模式都已被理解。然后關鍵是確保這些信息包含在產品開發周期中。了解故障模式、重新設計和延長使用壽命的整個過程非常關鍵。那么證據就在數字中。因此，我們已經證明，GaN Systems 晶體管的使用壽命與最好的硅功率晶體管一樣好或更好。”

威瑟姆指出，然而，存在幾個挑戰。失敗機制可能因供應商而異。一些供應商可能沒有正確的知識。對于其他了解其故障機制的公司，這些公司可以將其機制與測試和設計聯系起來，以確保 GaN 晶體管的長壽命和整體系統可靠性。

在 JC-70 努力的同時，GaN Systems 還與多家汽車和工業客戶合作制定戰略和認證流程，以確保 GaN Systems 器件的可靠性和穩健性。該策略的關鍵要素可以概括為器件故障模式、晶體管設計、測試設計和制造過程。

Witham 補充說：“合作的結果包括作為基準應用的 JEDEC 標準和 AEC-Q101 測試，以及針對硅和 GaN 在材料和故障模式方面的差異實施的其他測試方法。使用 FMEA 和故障測試方法確定故障測量，并且針對外部和內部故障模式執行所有測試。我們將這些程序稱為增強型 JEDEC 和 AutoQual+ 測試。”

在正確設計之后，外部機制通常是由制造過程中的錯誤——裝配缺陷引起的。這些外在缺陷需要通過制造商的測試來篩選掉。另一方面，內在機制是由材料在應用產品的整個生命周期內自然降解引起的。

為了證明穩健性和可靠性，測試已經超出了 JEDEC 的要求。“圖 1顯示了擴展到 JEDEC 的測試性能示例，”Witham 說。“圖表顯示，在 JEDEC 測試和 AEC-Q101 測試規范所需的測試持續時間的 5 倍時，性能穩定。”

圖 1：H3TRB 測試的延長持續時間測試示例

與行業專家的合作使 GaN Systems 能夠實施增強的 JEDEC 系統，如圖 2 所示。

圖 2：增強型 JEDEC GaN 認證

對于符合汽車標準的產品，采用類似的方法，包括完成標準 AEC-Q101 測試，然后通過增量測試補充這些測試，以考慮 GaN 和硅之間的差異。Witham 說，資格認證引導我們對系統的整體壽命進行定義和估計。“了解生命需要全面了解故障模式、故障機制、任務概況和產品設計。一旦了解了失效機制，就會根據失效機制的加速執行測試選擇。”

壽命模型定義了半導體組件在預定時期內如何根據預期表現。這些模型包括使用電壓和溫度或其他因素來使用 Weibull 圖表（圖 3和圖4）計算加速因子，并確定特定操作條件（任務配置文件）下的故障及時 （FIT）。

圖 3：壽命加速因子

圖 4：TDSB Weibull 圖示例

“在 GaN Systems 的解決方案中，主要的故障模式是 TDSB ［時間相關肖特基擊穿］，”Witham 說。“有趣的是，這種失效測試是在較低溫度下進行的，因為這種失效機制在低溫下發生得更快。這意味著溫度越低，壽命越短。”

可靠性方面最困難的市場是汽車、工業和高可靠性航空航天領域。GaN Systems 所做的是與各種客戶采取協作方式。“我們組建了一個團隊，為了確保我們了解什么測試以及他們想要看到什么，我們在團隊內部開發了測試方法，這樣我們就可以確保一旦我們完成了，客戶就會從他們的角度得到正確的結果。視圖，”威瑟姆說。

GaN Systems 晶體管的可靠性包括穩健的故障模式分析、嚴格的設計以及一系列資格和壽命測試。所有這些努力使公司能夠為汽車、工業和航空航天應用提供強大而可靠的解決方案。

審核編輯：郭婷