Los transistores de nitruro de galio (GaN) definitivamente han mejorado el rendimiento del sistema de energía y han reducido el costo relativo de los componentes. Pero, ¿cómo se compara GaN con el silicio y el carburo de silicio cuando se trata de calidad y confiabilidad?
Director ejecutivo de Jim Witham basado en GaN, en una entrevista con EE Times, destacó cómo la industria de los transistores de potencia está familiarizada con las pautas de certificación del estándar del Consejo Conjunto de Ingeniería de Dispositivos Electrónicos (JEDEC) para transistores de silicio. Sin embargo, GaN tiene diferentes modos y mecanismos de falla debido a los diferentes materiales del dispositivo.
Determinación de lineamientos Pruebas de GaN Es parte del trabajo que la industria de GaN ha estado investigando bajo JEDEC y AEC-Q, señala Witham. “Un resultado de este análisis es que el perfil de la misión que da forma a la vida útil de los sistemas electrónicos está cambiando. Para los cargadores a bordo HEV/EV, hay un aumento significativo, casi un aumento de cuatro veces”.
enfoque de la industria
de industria de GaN tiene como objetivo demostrar que las soluciones de GaN tienen al menos la misma esperanza de vida que los MOSFET de silicio, e idealmente más. El sector y el comité JEDEC JC-70 están trabajando arduamente para definir un conjunto de pruebas, condiciones y criterios de aprobación/rechazo para dispositivos de GaN y SiC para garantizar la confiabilidad del sistema y acelerar el mercado. Witham agregó que los consorcios de la industria están trabajando arduamente para superar las diferencias. Los proveedores con diferentes tecnologías son, en consecuencia, proveedores sesgados con diferentes intereses comerciales. Algunos tienen silicio y GaN. Algunos son solo GaN. Otros incluyen silicio, SiC y GaN.
“Creo que uno de los factores clave es el ciclo de desarrollo del producto”, dice Witham. “Lo primero que hacemos es diseñar el producto. Se realiza para garantizar que el dispositivo semiconductor se comporte como se diseñó antes y después del estrés, luego el producto se somete a pruebas de falla para demostrar que se comprenden todos los modos de falla y, lo que es más importante: se trata de asegurándonos de que esta información esté integrada en el ciclo de desarrollo del producto. Todo el proceso de comprender los modos de falla, rediseñar y extender la vida útil es muy importante. La evidencia está en los números. Lo que hemos demostrado es que los transistores del sistema GaN tienen una vida útil igual a o más que los mejores transistores de potencia de silicio”.
Sin embargo, Witham señaló que existen algunos desafíos. Los mecanismos de falla pueden variar de un proveedor a otro. Algunos proveedores pueden no tener el conocimiento correcto. Otras empresas que conocen los mecanismos de falla pueden relacionar sus mecanismos con las pruebas y el diseño para garantizar transistores de GaN de larga duración y confiabilidad general del sistema.
Paralelamente al esfuerzo del JC-70, GaN Systems trabajó con varios clientes automotrices e industriales para desarrollar estrategias y procesos de calificación para garantizar la confiabilidad y robustez de los dispositivos de GaN Systems. Los elementos clave de la estrategia se pueden resumir en los modos de falla del dispositivo, el diseño del transistor, el diseño de la prueba y el proceso de fabricación.
Witham agrega: Las mediciones de fallas se identificaron utilizando FMEA y métodos de prueba hasta la falla, y todas las pruebas se realizaron para modos de falla tanto extrínsecos como intrínsecos. Llamamos a estos programas pruebas JEDEC mejoradas y AutoQual+. “
Después de un diseño adecuado, los mecanismos extrínsecos suelen ser causados por errores en el proceso de fabricación (defectos de montaje). Estos defectos extrínsecos deben descartarse mediante pruebas del fabricante. Los mecanismos intrínsecos, por otro lado, son causados por la degradación natural de los materiales durante la vida útil del producto en la aplicación.
Las pruebas se extienden más allá de los requisitos de JEDEC para demostrar robustez y confiabilidad. “Un ejemplo de desempeño de prueba extendida de JEDEC es Figura 1dijo Witham. “El gráfico muestra un rendimiento sólido en cinco veces el tiempo de prueba requerido tanto para la prueba JEDEC como para la especificación de prueba AEC-Q101”.
Figura 1: Ejemplo de prueba larga de prueba H3TRB (Fuente: GaN Systems)
Trabajar con expertos de la industria permitió a GaN Systems implementar un sistema JEDEC reforzado. Figura 2.
Figura 2: Certificación GaN de JEDEC mejorada (Fuente: Gan Systems)
Se adopta un enfoque similar para los productos automotrices calificados. Esto consiste en completar las pruebas estándar AEC-Q101 y luego complementarlas con pruebas incrementales para tener en cuenta las diferencias entre GaN y silicio. Esta calificación nos guía para definir y estimar la vida útil general del sistema, dijo Witham. “Comprender la vida requiere una comprensión profunda de los modos de falla, los mecanismos de falla, los perfiles de misión y el diseño del producto. Una vez que se comprenden los mecanismos de falla, la selección de la prueba se basa en la aceleración de los mecanismos de falla”.
Un modelo de vida útil define cómo se comporta un componente semiconductor según lo esperado durante un período de tiempo determinado. Estos modelos involucran el uso de voltaje y temperatura u otros factores para calcular los factores de aceleración usando diagramas de Weibull (figura 3 y cuatro) para determinar la falla en el tiempo (FIT) bajo condiciones específicas de operación (perfil de misión).
Figura 3: Factor de aceleración de la vida (Fuente: GaN Systems)
Figura 4: Ejemplo de diagrama Weibull de TDSB (Fuente: GaN Systems)
“En la solución de GaN Systems, el modo de falla dominante es TDSB. [time-dependent Schottky breakdown]dijo Witham. “Es interesante notar que esta prueba de falla se realizó a bajas temperaturas porque este mecanismo de falla ocurre más rápido a bajas temperaturas. [shorter] toda la vida. “
Los mercados más desafiantes para la confiabilidad son el automotriz, el industrial y el aeroespacial de alta confiabilidad. Lo que ha hecho GaN Systems es un enfoque colaborativo con diferentes clientes. “Reunimos un equipo y desarrollamos una metodología de prueba dentro del equipo para asegurarnos de que entendíamos qué pruebas y qué querían ver. Ahora puedo estar seguro de que estoy obteniendo los resultados correctos. Ver”, dijo Witham.
La confiabilidad de los transistores de GaN Systems incluye un sólido análisis del modo de falla, un diseño riguroso y extensas pruebas de calificación y vida útil. Todo este esfuerzo le permite a la compañía brindar soluciones robustas y confiables para aplicaciones automotrices, industriales y aeroespaciales.
este artículo Publicado originalmente en la publicación hermana EE Times.