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eGaN技术的可靠性及元件失效的物理原因

上网日期: 2016年03月09日 ?? 作者: Chris Jakubiec、Robert Strittmatter及Alex Lidow ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:eGaN? 可靠性? 元件失效?

氮化镓可靠性的简介

与传统的功率MOSFET相比,宜普电源转换公司(EPC)的增强型氮化镓场效应晶体管(eGaN?FET)继续以它极具竞争力的优势并贴近市场发展趋势,驱动创新应用的发展,并且扩大GaN的市场。其中的一些应用范例诸如无线电源传送、DC/DC转换、射频发射基站、卫星系统、音频放大器及光学遥感技术(LiDAR)[等都可以发挥氮化镓场效应晶体管的卓越优势,而其它的应用还有很多。

硅基功率MOSFET的30年发展史使我们了解可以影响颠覆性技术的普及速度的其中的一个主要因素是器件是否非常可靠以在应用中发挥其效能。EPC公司的增强型氮化镓器件的设计方向就是基于这个可靠性的主导原则。

在这系列文章,我们将分享如何认证eGaN技术的可靠性的多种方法,以及我们如何从元件失效的物理原因开发出不同的模型,从而帮助工程师可以在差不多任何工作条件下,都可以预测器件的失效率。

在本章及下一篇文章中,我们将分享关于氮化镓晶体管在过去的六年间,在广阔的应用领域中我们取得的现场经验及数据。这些应用包括车载头灯、医疗系统以至4G/LTE电信系统。当我们知道并认识每一个元件的失效原因,在技术开发的路途上,实在获益良多。

第三篇文章将探讨在累计超过700万器件-小时并对10000件以上的器件进行最高应力测试后所得的合格认证结果。测试结果涵盖电气应力测试、环境应力测试及热机械应力测试。所有的测试都表明,氮化镓技术通过了对MOSFET的所有相同测试。此外,我们会对数千元件进行测试以探讨它们的早期寿命失效率。除非我们明瞭元件失效的物理原因,才能利用这些最高应力测试的结果来推断出器件在实际应力条件下的性能。

第四及第五篇文章将讨论与电气、热电气及热机械应力有关的器件磨损机理的基本失效物理。最后,在第六篇文章,我们会利用在第一至第六篇文章发表期间所收集的全新资料作结及进一步与工程师分享最新的技术发展。

eGaN FET的现场可靠性数据

从这些报告中所提及的测试及讨论主题可以看到,我们重点关注的是eGaN FET在客户的应用中是否可靠地工作。EPC公司透过监视可靠性的现场数据来估计器件在客户的应用中的可靠性。在过去的6年间,我们收集了现场数据及现场受测器件的总数。图1显示了EPC公司对不同产品系列进行测试及所累计的器件现场测试小时的分布图。在2016年2月发表此报告时,我们收集了170亿小时受测器件的现场数据。

在这个时间跨度内所收集的127个现场数据中,在工作极限的条件下,只有3个失效情况是与eGaN[FET本身有关的。其余的失效元件与eGaN FET的装配有关或是与PCB板的不良布局设计有关。

图2显示了针对在这6年间已经付运的eGaN产品的可靠性现场数据--FIT比率的趋势(109小时内的失效器件)。我们计算假设所有产品已经被使用,并且从最初交货日期开始就一直在操作。根据累计的器件受测小时的总数,以及确认了器件失效的现场数据,这些数值代表了失效率的上限(在60%置信度下)。

总的来说,我们所取得的现场数据大约是0.24[FIT比率,这个比率最低限度与硅基MOSFET器件相同。此外,趋势图中并没有证据显示在今后数年内的FIT比率会增加而代表器件会在6年间内发生磨损的情况。

图1:显示EPC公司的不同产品系列所累计的器件受测小时的现场数据的分布图《电子工程专辑》
图1:显示EPC公司的不同产品系列所累计的器件受测小时的现场数据的分布图

图2:在过去6年间,所有被使用的eGaN产品的现场可靠性的趋势图。FIT比率的置信度的上限为60%《电子工程专辑》
图2:在过去6年间,所有被使用的eGaN产品的现场可靠性的趋势图。FIT比率的置信度的上限为60%

我们将在第二章详细分析引致器件现场失效的原因,包括因为组装器件、布局或电路的设计及器件的缺陷而失效的情况。当我们了解器件失效的根本原因,我们可以找出先进技术在学习曲线的进程中发生的问题,还是与技术本身的问题有关而引致器件失效的原因。

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