موثوقية وجودة جهاز الطاقة SiC و GaN
في المؤتمر الافتراضي الأخير لمعرض PowerUP ، أدار ماوريتسيو دي باولو إميليو ، رئيس تحرير Power Electronics News و EEWeb ، حلقة نقاش حول موثوقية وجودة أجهزة الطاقة SiC و GaN. تم تمثيل خبراء الصناعة من كل من مصنعي أجهزة الطاقة / أجهزة الطاقة المصنوعة من SiC و GaN في هذه اللوحة.
تضمن المتحدثون:
- دوج بيلي ، نائب رئيس التسويق وهندسة التطبيقات ، تكامل الطاقة
- أنوب بهالا ، كبير المهندسين ، Power Devices ، Qorvo
- أليكس ليدو ، الرئيس التنفيذي ، كفاءة تحويل الطاقة
- تييري بوشيه ، الرئيس التنفيذي لشركة Wise Integration
- جاي موكسي ، مدير أول ، منتجات الطاقة ، Wolfspeed.
الموثوقية هي معدل الفشل الجوهري بمرور الوقت ، ويتم قياسه عادةً بواسطة مقاييس FIT (الفشل في الوقت لكل مليار ساعة جهاز) أو MTTF (متوسط وقت الفشل). من ناحية أخرى ، الجودة هي تقليل التباين في أداء الجهاز ضمن مجموعة من الأجزاء. يتم قياسها عادةً على أنها أجزاء معطلة لكل مليون (PPM) أو مليار (PPB) من الأجزاء التشغيلية. لقد تحسن كلا المقياسين بشكل كبير في أجهزة Si والدوائر المتكاملة على مدى عقود من العمل على هذه الأجهزة. لقد أدت التطبيقات المهمة مثل السيارات إلى بعض هذه التحسينات ، وتشاهد بشكل شائع معدلات FIT أو <1 ومقاييس الجودة في نطاق جزء في البليون في أجهزة الطاقة Si. في هذه المقالة ، سنلخص بعض الموضوعات الرئيسية التي ناقشتها هذه اللوحة حول موثوقية وجودة جهاز الطاقة SiC و GaN.
الوضع الحالي لموثوقية وجودة SiC و GaN
بدأ بيلي المناقشة بالقول إن GaN يحتاج إلى تلبية نفس معايير الموثوقية والجودة مثل Si. في Power Integrations (PI) ، اكتشفوا من خلال اختبارات مكثفة على كل من الجهاز المنفصل ومستوى IC (يبيع PI الدوائر المتكاملة مع جهاز الطاقة وجهاز التحكم في حزمة مشتركة متكاملة). أداء الموثوقية الجوهري لتقنية GaN الحالية جيد مثل Si ، مع عدم وجود اختلافات سلوكية كبيرة. مسرعات التآكل ، مثل درجة الحرارة والجهد والرطوبة ، هي نفسها الموجودة في Si. يتمثل الجانب الرئيسي في التصنيع في استبعاد العيوب الخارجية ، حيث تكون عملية epi حرجة للغاية. تعد اختبارات الفشل المبكر مدى الحياة (ELFR) ذات قيمة كبيرة لفحص أجزاء وفيات الرضع التي قد تكون قد نجت من فحوصات العيوب البصرية واختبارات الفحص القياسية. يوضح الشكل 1 منحنى حوض الاستحمام النموذجي لتوقيع الفشل مقابل الوقت المرئي في أشباه الموصلات.
استحوذت Qorvo على UnitedSiC ، التي تصنع أجهزة الطاقة القائمة على SiC JFET. قال بهالا إن Qorvo تستخدم اختبارات الفحص لوفيات الأطفال ولا تستخدم اختبارات حرق مستوى الرقاقة في تدفق التصنيع والاختبار. نتج عن سنوات عديدة من التحسينات في الجهاز والعملية موثوقية وأعمار ممتازة للمقاييس القياسية مثل حجب الجهد العالي والرطوبة. في الآونة الأخيرة ، تشير دراسات معدل فشل الأشعة الكونية إلى سلوك مشابه لـ Si. تتمتع SiC بميزة على مستوى المنتج نظرًا لاستخدام قالب أصغر بكثير لمواصفات المقاومة المكافئة على الحالة. يتمثل أحد الجوانب الفريدة لأجهزة الطاقة SiC JFET من Qorvo في استخدام جهاز الكود السليكوني للتحكم في البوابة ، والذي يتم تكديسه فعليًا فوق قالب SiC. يعمل جهاز Si هذا كمخزن للضغط على جهاز SiC ذو معامل يونج العالي. ومن ثم تم تحسين موثوقية السندات السلكية. يمكن للتعبئة الخالية من السندات السلكية ، مثل مقاطع النحاس ، أن تقضي على مشكلة موثوقية السندات السلكية ، والتي غالبًا ما تُرى في أجهزة الطاقة.
يحتوي تحويل الطاقة الفعال (EPC) على مجموعة قوية من أجهزة الطاقة القائمة على الوضع الإلكتروني من GaN القائمة على HEMT. قال Lidow إنه للقضاء على فشل Time-0 ، يجب القضاء على عيوب التصنيع الخارجية. تعتبر آلية التآكل الطويلة في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض مثل SiC و GaN متفوقة جوهريًا من وجهة نظر المواد نظرًا للروابط الأولية القوية التي تم إنشاؤها في كل من SiC و GaN. في GaN HEMTs ، يساعد عدم وجود أكسيد البوابة في تحسين أداء الإشعاع في اختبارات مثل إجمالي جرعة التأين (TID). ترتبط العيوب الجوهرية التي تحدد التآكل والموثوقية والجودة في GaN HEMTs في الغالب بآليات الملائمة في طبقات أشباه الموصلات. تأثيرات مثل المقاومة الديناميكية على الحالة (DRDSON) مفهومة جيدًا ويتم التحكم فيها الآن لدرجة أن لها تأثير ضئيل على الأداء في التطبيقات. تمتلك EPC بيانات موثوقية ميدانية جيدة في تطبيقات الفضاء والسيارات والاتصالات الصعبة. يُنظر عادةً إلى التآكل الميكانيكي الحراري على أنه سبب الفشل الأولي في الاختبارات طويلة الأمد.
يجعل التكامل الحكيم دوائر متكاملة لإمداد الطاقة من GaN تتميز بالتحكم الرقمي. يتم تصنيع منتجات GaN الخاصة بهم في مسبك TSMC. صرح Bouchet أن اختبارات JEDEC-70 يتم إجراؤها على أجزاء GaN الخاصة بهم لتلبية متطلبات الموثوقية التجارية والصناعية. الدكتورDSON تم رصده وفقًا لملف تعريف مهمة التطبيق لتتبع جودة المواد. تضيف اختبارات العمر التشغيلي الديناميكي عالي الحرارة (DHTOL) في ظروف التحويل المختلفة ثقة أكبر إلى موثوقية وجودة الجهاز.
قال Moxey من Wolfspeed ، الشركة الرائدة في تصنيع ركيزة SiC وأجهزة الطاقة ، أنه من المتوقع أن ترتفع توقعات الطلب على SiC بشكل كبير خلال السنوات القليلة المقبلة بناءً على النمو السريع في EV وتوليد الطاقة المتجددة والتوزيع والتخزين. يتوقع بعض هؤلاء زيادة في الطلب بمقدار 50 ضعفًا. في حين أن الجودة والموثوقية في تصنيع SiC أصبحت الآن على قدم المساواة أو أفضل من Si ، يجب توخي الحذر للحفاظ على ذلك حتى مع الزيادة السريعة في القدرة التصنيعية.
أوضاع الفشل ، الفرز لضمان الموثوقية والجودة العالية
لا يبيع PI أجهزة GaN المنفصلة. بدلاً من ذلك ، يقومون بتصنيع أجهزة GaN المدمجة مع قالب التحكم. وهذا يتيح ما يسمى “نهج الحدائق المسورة” لحماية جهاز GaN. يمكن تضمين ميزات الاستشعار والحماية في شرائح جهاز التحكم ، مما يساعد على توفير عقارات GaN القيّمة للتبديل العالي الجهد. يقوم PI بإجراء اختبارات على كل من جهاز GaN المنفصل وعلى مستوى النظام على الحزمة المتكاملة. تشمل الاختبارات اختبار H3TRB للرطوبة والضغط واختبارات التحويل الديناميكي.
وأشار بهالا إلى أن أحد التحديات التي يواجهها Qorvo هو تطوير نماذج فشل دقيقة مع طاقات تنشيط تعكس معدلات الفشل الفعلية. في بعض الحالات ، يمكن أن يعني هذا اختبارات طويلة الأمد للغاية. تعد اختبارات تدوير الطاقة أحد الأمثلة حيث تكون استجابة SiC عند درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية مختلفة تمامًا عن Si. التوقع هو أن التقدم المستمر في هذا سيساعد الشركات المصنعة على تطوير نماذج دقيقة لأوضاع الفشل التي تتساوى مع ما هو موجود الآن مع Si IGBTs.
أوضح Lidow أنه من الضروري فهم الفيزياء الأساسية والسبب الجذري لأنماط الفشل. يؤدي اختبار فشل الأجهزة (على سبيل المثال ، تجاوز حدود ورقة البيانات) في ظل ظروف ملف تعريف مهمة محددة إلى إنشاء ظروف أفضل لدراسة وفهم آلية الفشل الدقيقة. المنتج المتكامل ، حيث يتم دمج GaN ، على سبيل المثال ، مع محرك ، يزيد من تعقيد هذا التحليل. ميزة GaN هي عدم وجود تأثير Spirito1. يحدث هذا في Si و SiC ، حيث يمكن أن يكون لأجزاء القالب معامل درجة حرارة موجب لتيار التصريف عند تحيز بوابة معين. يحدث هذا بشكل أساسي بسبب معامل درجة الحرارة السالب لجهد عتبة الجهاز (Vth). يمكن أن ينتج عن هذا التأثير ردود فعل إيجابية مدمرة حيث يصبح القالب أكثر سخونة ، مما يؤدي إلى هروب حراري. والنتيجة هي وجود تيار منطقة تشغيل آمنة (SOA) أقل بكثير ، خاصة عند تحيزات التصريف العالية. أشار الاختبار المكثف بواسطة EPC إلى أن الوضع الإلكتروني GAN الخاص بهم لا يظهر هذا التأثير.
ردد بوشيه تعليقات بيلي حول مزايا المعنى المتكامل ووظائف الحماية. يسمح التيار الزائد (OC) والجهد الزائد (OV) والدائرة القصيرة و ESD ودوائر الحماية الأخرى بإجراء منعكس من المستوى الأول لحماية جهاز الجهد العالي. يسمح التحكم الرقمي لمفتاح HV بالحماية من المستوى 2 ، مما يضمن الأداء الآمن والأمثل.
سلط Moxey الضوء على أحدث وحدات طاقة SiC من Wolfspeed ، مصنفة على أنها 3.3 كيلو فولت و 800 أمبير. يمكن أن تحتوي هذه الأجهزة على العديد (> 20) جهازًا بالتوازي. تعد موثوقية العبوة وإدارة درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية ، إلى جانب ضمان أداء موحد من القالب المتوازي. لقد سمح تدفق التصنيع المتكامل رأسياً ، من نمو البلورات فصاعدًا ، لـ Wolfspeed بإزالة و / أو حجب العيوب الخارجية.
خطط مستقبلية
أشار بيلي إلى أن PI قد أصدرت الآن منتجًا بقدرة 900 فولت من GaN. إنهم يتوقعون الاستمرار في رفع تصنيف الفولتية على منتجات cascode الخاصة بهم لخدمة أسواق السيارات والصناعية والتجارية. مع منتجات GaN ذات الوضع الإلكتروني ، نجحت EPC في اختراق سوق الفضاء والسيارات والشاحن. إنهم يخططون لإنشاء المزيد من وظائف التكامل ، مثل إضافة برنامج تشغيل البوابة. ضاعفت EPC كثافة الطاقة في 6ذ جيل الجاليوم ، ومن المتوقع أن تستمر هذه التحسينات. وأشار بهالا إلى أن تحسينات التعبئة والتغليف ستكون مفتاحًا لتحقيق أقصى استفادة من قدرة الطاقة العالية للكربيد الكربوني. أحد التطبيقات التي قد تحتاج إلى اختبارات متخصصة هو قاطع دائرة الحالة الصلبة (SSCB) ، حيث يمكن أن يلعب SiC دورًا رائدًا في الشبكات الكهربائية المستقبلية. تخطط شركة Wise Integrations لإطلاق منتجين هذا العام. وهذا يشمل 2اختصار الثاني إنتاج منتج GaN للسائق المدمج 650V ووحدة تحكم رقمية لتطبيقات إمداد الطاقة. سلط Moxey الضوء على توسيع محفظة وحدات الطاقة SiC من Wolfspeed ، مع عروض عند 1.7 كيلو فولت و 2.3 كيلو فولت و 3.3 كيلو فولت والتصنيفات الحالية 800 أمبير وأعلى.
مراجع
1 يمكن العثور على مناقشة ممتازة حول تأثير Spirito في ملاحظة تطبيق Nexperia هذه.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
