اختبار موثوقية جهاز GaN – أخبار إلكترونيات الطاقة

عادةً ما تتبع موثوقية جهاز طاقة السيليكون المعايير الراسخة ، مثل AEC-Q100 / Q101 و JESD47. يتم تأهيل الأجزاء عادةً عند 125 درجة مئوية أو 150 درجة مئوية ، مع تطبيق انحياز ثابت إما على الصرف أو البوابة لمدة 1000 ساعة ، ومعدل الفشل في الوقت المناسب (FIT) (يساوي عدد حالات الفشل في تشغيل مليار جهاز ساعات) تم تطويرها بناءً على عدد الأجزاء التي تم اختبارها وملف تعريف التسارع وطاقة التنشيط للإجهاد أثناء هذه الاختبارات.

لا يستفيد اختبار موثوقية جهاز HEMT من نيتريد الغاليوم من عقود من تجربة العملاء التي تتمتع بها أجهزة السيليكون. لقد لوحظ في وقت مبكر من تطوير جهاز طاقة GaN أن عملية تأهيل جهاز السيليكون لم تغطي بعض أوضاع الفشل الرئيسية في GaN. نتيجة لذلك ، عملت صناعة GaN معًا لتشكيل لجنة JEDEC ، JC70 ، ووضع مبادئ توجيهية لتلبية الاحتياجات الخاصة بـ GaN. استثمرت الشركات المصنعة الرائدة في GaN مثل Texas Instruments (TI) بشكل كبير في هذا الجهد.

في هذه المقالة ، سنركز على كيفية التحقق من موثوقية GaN وإبراز بيانات الموثوقية من TI على منتجات GaN الخاصة بها.

معايير الاختبار والمبادئ التوجيهية

كما هو مبين في الشكل 1 ، يمكن تصنيف اختبار موثوقية GaN إلى مستويات المكونات وإمدادات الطاقة. يتم تأهيل الأجزاء وفقًا للمعايير التي تم تطويرها بواسطة جهاز السيليكون ، مثل AEC-Q100 ، ولكن تم اختبارها بشكل إضافي لآليات الفشل الخاصة بـ GaN التي تغطيها إرشادات JEP-180 و JEP-173 و JEP-182 JEDEC. يركز اختبار مستوى مزود الطاقة على مواقف العالم الحقيقي والتأثير على GaN FET ، والذي يتضمن إجراء اختبارات خاصة بالتطبيق للتأكد من المتانة من الأحداث العرضية ، مثل اندفاعات الطاقة وقصر الدائرة.

05.17.2023

05.15.2023

05.15.2023

دعنا نلقي نظرة على بعض الاختبارات الخاصة بـ GaN بمزيد من التفصيل.

انهيار يعتمد على الوقت

كما هو مبين في الشكل 2 ، كما هو الحال في MOSFETs السيليكون ، يحدث الانهيار المعتمد على الوقت (TDB) بسبب الحقول الكهربائية العالية في عدة مناطق من جهاز HEMT. جمعت TI بيانات من أكثر من 1.8 مليون جهاز بناءً على هياكل اختبار خاصة. تم بناء نموذج من هذا. تم حساب معدلات FIT لكل من مركز البيانات / الخادم وملامح الاستخدام الخاصة بمهمة الاتصالات. كما يوضح الجدول في الشكل 2 ، يمكن رؤية معدلات FIT الممتازة التي تقل كثيرًا عن 1 من ظروف الإجهاد هذه في TDB.

احتجاز الشحنات

احتجاز الشحنات هو حدث حيث تتسبب “المصائد” في مادة أشباه الموصلات في توقف الشحنة ، مما يتسبب في زيادة مؤقتة في المقاومة في وقت تشغيل FET. بعد فترة زمنية صغيرة ، تقاس بالنانو ثانية ، تكون الفخاخ ممتلئة ويعمل FET كما هو متوقع. عند إيقاف تشغيل FET ، يتم تحرير هذه المصائد. عادة ما تكون نتيجة هذا الملاءمة زيادة في مقاومة الجهاز في الحالة (R_{DS (تشغيل)}) ، حيث تقوم المصائد سالبة الشحنة بصد إلكترونات القناة. هذه الزيادة تسمى ديناميكية R_{DS (تشغيل)} التدهور ، لأن بعض هذه الملاءمة يمكن أن تكون قابلة للعكس ويمكن أن تعتمد أيضًا على تقادم الجهاز. يمكن أن يحدث تعويض الشحن في أجهزة GaN HEMT في طبقة المخزن المؤقت أسفل القناة ، في العوازل أو في واجهات طبقة الجهاز. يمكن أن يحدث في ظل ظروف ثابتة مع انحياز استنزاف مرتفع أو في ظل ظروف تحويل ديناميكي.

يمكن أن يوفر اختبار الدائرة المنخفضة والمفتاح الثابت حساسية أعلى لـ R الديناميكي_{DS (تشغيل)} انحلال. كما هو مبين في الشكل 3 ، يستخدم TI مركبة اختبار مدرجة في معيار JEP-182 لتوفير إجهاد مستمر للتبديل الثابت بناءً على حالة الطاقة القصوى ، أقصى جهد تصريف موصى به (V_DS) ودرجة حرارة التقاطع الأسوأ. هذه الشروط وفقًا لإرشادات JEP-180.

يتم عرض البيانات التي تزيد عن 1000 ساعة من اختبار الإجهاد في دورة عمل بنسبة 0.5٪ في الشكل 3. وهذا يوضح R مستقرة_{DS (تشغيل)} السلوك مع شيخوخة الجهاز. إجهاد ثابت خارج الحالة من 500 VV_DS عند 125 درجة مئوية على منتج LMG341x GaN بالمثل لا يظهر R_{DS (تشغيل)} انحلال. هذا مستقر R_{DS (تشغيل)} يأتي السلوك في أجهزة GaN الخاصة بـ TI من سنوات عديدة من تحسينات تدفق العمليات في خطوات العملية الرئيسية مثل epi-Growth وكذلك إنشاء عوازل وواجهات خالية من المصائد.

تدهور الحامل الساخن

يمكن أن تتسبب المواد الحاملة الساخنة المتولدة من خلال تدفق التيار عند الفولتية العالية في محاصرة الشحنات (مما يؤدي إلى R ديناميكي_{DS (تشغيل)} يزيد) ويخلق تآكلًا للجهاز بسبب تولد الخلل. يتيح دليل JEP-180 تحديد عمر التبديل من ظروف الضغط ذات الصلة: باستخدام اختبار العمر المعجل للتبديل (SALT). يتم إجراء إجهاد التبديل الثابت المتسارع ، مع موضع تبديل ثنائي الأبعاد مشتق لكل من تسارع الجهد والتيار. يمكن بعد ذلك استخدام البيانات من هذه الاختبارات لبناء نموذج تبديل الضغط. يمكن بعد ذلك استخدام هذا النموذج للتنبؤ بمتوسط ​​وقت الفشل (MTTF) في ظل ظروف خاصة بالعميل.

اختبار DHTOL

جزء رئيسي من JEP-180 هو الدليل الإرشادي لإثبات أن جهاز GaN يمكن الاعتماد عليه في ظل ظروف التشغيل الصارمة في مصدر الطاقة. تظهر بعض ضغوط إمداد الطاقة في الشكل 4 وتتضمن ظروفًا مثل عملية الربع الثالث وسعة ميلر – التي تسببت في أحداث إطلاق النار العابرة.

يعتمد اختبار موثوقية العمر التشغيلي الديناميكي ذو درجة الحرارة العالية (DHTOL) على دائرة جسر H ، حيث يسمح بإعادة تدوير الطاقة أثناء التشغيل. يتم تطبيق ضغوط التبديل القاسي والناعم على الأجهزة ذات الطاقة العالية ودرجة الحرارة. تتم مراقبة كفاءة التحويل خلال فترة إجهاد تبلغ 1000 ساعة. تظهر البيانات من أجزاء LMG34xx ، الموضحة في الشكل 5 ، عند 480 فولت و 125 درجة مئوية كفاءة في حدود 0.1٪.

قوة اندفاع وحماية ماس كهربائى

قد يكون من النادر حدوث جهد أو ارتفاع تيار في تطبيق متصل بخط الطاقة ، ولكن الحاجة لتحملها ضرورية لمصادر الطاقة. توفر مواصفات IEC 61000-4-5 مواصفات محددة لاختبار الاندفاع. على عكس أجهزة السيليكون ، لا تنهار أجهزة GaN HEMT. نظرًا للارتفاع المحدود لأجهزة طاقة السيليكون بين الفولتية المقدرة والجهد الانهيار ، تعتبر قوة الانهيار الجليدي مقياسًا لقدرة الارتفاع.

وصفت منظمة الشفافية الدولية في ورقة فنية القوة المفاجئة للجزء LMG3410R070. تمكن القدرة الفائقة للجهد الزائد العابر لـ GaN من التبديل خلال أحداث زيادة التيار دون الانهيار. تصنيف الجهد الزائد العابر (V_{DS (زيادة)}) ، وهو أقصى جهد ناقل يمكن للجهاز تحمله أثناء التشغيل النشط. في هذا المثال ، V_{DS (زيادة)} تم تحديده عند 720 فولت ، بناءً على اعتبارات النظام وتعليقات العملاء ، وهو أعلى بكثير من الحد الأقصى لمواصفات جهد التشغيل البالغ 600 فولت.

كما هو مبين في الشكل 6 (أ) ، أ_{DS (TR)} رنين الجهد محدد أيضا. في هذه الحالة ، V_{DS (TR)} 800 فولت ، مما يعطي إرتفاع 80 فولت فوق V_{DS (زيادة)} تقييم. في الشكل 6 (ب) ، تظهر منحنيات ارتفاع الجهاز أثناء تشغيله حمولة 1 كيلو واط. في هذه الحالة ، تم استخدام 50 ضربة مفاجئة ، ولم يكن هناك فقدان للكفاءة ، مما يدل على قوة الطفرة.

علاوة على ذلك ، تحتوي أجزاء LMG341x على حماية مدمجة من الدائرة القصيرة. يسمح الدمج المشترك لمحرك السيليكون ودائرة الحماية مع GaN HEMT بالحماية السريعة وإيقاف التشغيل خلال 100 نانوثانية ، كما هو موضح في الشكل 7.

قال سانديب باهل ، العضو المتميز في فريق العمل الفني في TI: “في TI ، نأخذ جميع جوانب موثوقية GaN على محمل الجد”. “استفادت TI من عقودها العديدة في تطوير تكنولوجيا السيليكون ، مع الاعتراف بالفرص الجديدة التي توفرها GaN ، للتفكير بشكل مختلف حول كيفية تقديم حل طاقة قوي وموثوق. أجهزة TI GaN يمكن الاعتماد عليها على مستوى المكونات والتطبيقات الواقعية. لقد اجتازوا كلاً من معايير تأهيل السيليكون وإرشادات صناعة GaN. على وجه الخصوص ، اجتازت منتجات TI GaN JEP-180 ، مما يدل على أنها موثوقة لاستخدام مصدر الطاقة. “

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة / العمليات في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com