Тесты JEDEC были первоначально разработаны для кремниевой технологии, но для GaN требуется более агрессивное тестирование
КУРТ СМИТ, менеджер по надежности и RONALD BARR, вице-президент по качеству
Transphorm
www.transphormusa.com
Обширное тестирование надежности является важной фазой любого нового продукта или технологии. Transphorm использует стандартные квалификационные испытания JEDEC до коммерциализации своих полевых транзисторов GaN (нитрида галлия), чтобы гарантировать, что качество устройств будет соответствовать ожиданиям клиентов по надежности. Однако, поскольку тесты JEDEC были первоначально разработаны для кремниевой технологии, тестирование Transphorm выходит за рамки минимальных требований тестирования JEDEC, запустив тесты на гораздо большем количестве устройств, чем требуемый минимум. Кроме того, также проводилось агрессивное ускоренное тестирование жизни.
Сертификация JEDEC
Тест JEDEC обычно использует относительно большое количество устройств и применяет довольно скромный уровень напряжения к этим устройствам. Тесты предназначены для предоставления большой информации о младенческой смертности и ограниченном количестве информации о постоянной частоте отказов известной кривой ванны, но практически ничего не говорится об изнурительной части износа. Пропустив этот набор тестов, Transphorm продемонстрировал, что его продукты GaN свободны от каких-либо типичных дефектов, которые могут оказать негативное влияние на краткосрочную и среднесрочную надежность. Поскольку тестирование типа JEDEC не обеспечивает требуемого разрешения, чтобы иметь возможность прогнозировать продолжительность жизни в полевых условиях, более агрессивным ускоренным тестированием на жизнь становится методология выбора.
Тестирование с высокой температурой переключения
Во время нормальной работы устройства одновременно подвергались воздействию многих условий испытаний JEDEC. Высокотемпературный срок службы (HTOL) имитирует условия жесткой коммутации в приложениях и обеспечивает понимание возможных взаимодействий, влияющих на надежность. В тестах использовались стандартные детали, работающие как главный выключатель в повышающем преобразователе. Устройства работали при температуре перехода 175 ° C, которая выше, чем 150 ° C, указанной в техническом описании. Более высокая температура обеспечивает небольшое ускорение теста, но более высокие температуры приводят к деградации внешних компонентов, тем самым ограничивая максимальную температуру перехода до 175 ° C.
На рисунке 1 показаны потери при переходе на устройства в течение всего срока службы HTOL. Деградация контактов пайки и внешних компонентов в счетчике схемы для увеличения потерь при конверсии через 2000 часов; устройства не показали значительного изменения производительности при измерении после HTOL. Хотя этот тест не определяет срок службы, устройства GaN надежно работают в течение длительного времени при максимальной номинальной температуре в реальных условиях эксплуатации.
Рисунок 1: График потерь для HTOL семи 600-V-номинальных полевых транзисторов GaN-on-Si и эталонного устройства до 3000 часов при T j = 175 ° C.
Испытание на усталость
Ожидание - это предсказанное время жизни или указывает, что части начнут терпеть неудачу с возрастающей скоростью из-за старения прогнозов времени жизни, которые зависят от понимания и моделирования процесса износа и основаны на ускоренном тестировании до отказа. Условия работы выключателя питания позволяют разделить основные факторы напряжения.
На рисунке 2 показаны времена разрушения, построенные на графике времени логарифма в зависимости от 1 / температуры в Кельвине (график Аррениуса). Каждый набор устройств представлен средней точкой отказа (MTTF) (треугольником) или точкой, в которой 50% устройств не работают. Наклон линии, привязанной к точкам MTTF, обеспечивает физическое понимание механизма деградации посредством энергии активации (E a). При этом тестировании E a составляет 1, 84 эВ, что хорошо согласуется со значениями, указанными в литературе. Линия также предсказывает температуру жизни при использовании, такую как 423 ° К (150 ° С), которая составляет> 1 · 10 8 часов.
Рисунок 2: график Аррениуса, показывающий MTTF для трех температур (в ° K) и экстраполяции на всю жизнь, включая доверительные пределы 90%.
Статистическая достоверность демонстрируется как диапазоном точек отказа, так и 90% -ными доверительными пределами, показанными пунктирными линиями. Небольшой диапазон значений вокруг точки MTTF обеспечивает уверенность в том, что представлен ожидаемый режим отказа. Нижний предел этого диапазона составляет> 1 x 10 6 часов или> 100 лет при 150 ° C.
Первый отчет о продолжительности жизни, связанный с высоким полем GaN, составляет> 1 · 10 8 часов при 600 В. Для испытаний на долговечность в течение длительного времени три набора стандартных частей производства 600 В (GaN HEMTs, каскадированные с Si FET) были смещены в отключение при высоких напряжениях разряда 1050, 1100 и 1150 В. Температура устройства была установлена на уровне 82 ° C в соответствии с ожидаемыми условиями использования.
На рисунке 3 показан график времени отказа по сравнению с напряжением для одной возможной модели отказа: линейное напряжение, зависящее от времени, диэлектрическое пробое (TDDB). Однако прогнозируемое предсказание основано на модели TDDB с обратным напряжением, которая представляет собой наиболее консервативный срок службы, как показано на рисунке 4. Подобно графику Аррениуса на фиг.2, малый диапазон времен отказа в точках MTTF демонстрирует качество теста. 95% -ные доверительные пределы (пунктирные линии) дают сильную поддержку прогнозируемым временам жизни. Наклон линии обеспечивает коэффициент ускорения, необходимый для обеспечения физического понимания.
Рисунок 3. Время регистрации по отношению к 1 / V-графику тестирования состояния высоковольтного ВЫКЛ (HVOS) с использованием линейной модели TDDB для иллюстрации целостности данных (проекция может не обеспечивать срок службы устройства).
Хотя приведенные выше графики полезны для понимания причин отказа устройств, графики использования на фиг.4 и фиг.5 более полезны для понимания срока службы и надежности процесса. На каждом графике все устройства (включая множество наборов образцов), протестированные в ускоренных условиях, проецируются обратно в условие использования на основе физических параметров, определенных на приведенных выше графиках. План Weibull объединяет все устройства в единый набор и позволяет более детально понимать изменчивость процесса, а также прогнозировать время жизни устройства.
Рисунок 4. Используйте график всех отказов устройства HTDC при трех разных температурах использования.
Рисунок 5. Используйте графики, основанные на тестах ускорения напряжения, показывающих все неисправные устройства во время тестирования HVOS для модели TDDB обратного поля.
Результаты, представленные на рисунке 5, относятся к высокопольным испытаниям наборов образцов по трем лотам. Высокий период жизни при 650 В (или 520 В, как показано) может быть непосредственно взят из графика не только при 50% отказах (> 1 х 10 8 часов), но и при низких процентах, таких как 10% (~ 1 x 10 8 часов) или 1% (~ 1 × 10 7 часов). Относительно крутой наклон множества наборов образцов показывает небольшую изменчивость партии процесса на лот, а также внутри пластины. 95% -ные доверительные пределы гарантируют, что прогнозируемый срок службы для 1% отказов составляет 1 х 10 6 часов. Кроме того, первые неудачи не образуют значительного хвоста. Отсутствие хвоста указывает на то, что скорость FIT, связанная с полем, будет оставаться низкой на протяжении всего срока службы устройств.
Подобно графику использования, связанному с полем, график использования температуры, показанный на фиг.4, показывает среднее время жизни> 2 · 10 7 часов при максимальной температуре перехода 175 ° C. Крутой наклон установленной линии и узкие пределы достоверности 95% показывают небольшую изменчивость процесса. Доступность устройства и времени тестирования способствовала ограниченным наборам образцов, но надежность результатов высокой температуры и энергия активации 1, 8 эВ, которые соответствуют указанным значениям, обеспечивают большую уверенность в надежности продуктов Transphorm.
Используйте GaN с уверенностью
Тестирование в стиле JEDEC и HTOL продемонстрировали, что первоначальное качество и надежность процесса Transphorm для квалификации GaN достаточны для пользовательских приложений. Прогнозируемые средние времена жизни как для состояния, так и вне состояния более 1 × 10 7 часов при номинальных рабочих условиях, что превышает известные требования. Поскольку продукты GaN Transphorm выпускаются с использованием тех же методов и материалов, что и продукты из кремния, надежность продуктов GaN должна быть неотличима от надежности продуктов кремния.