تقييم موثوقية وعمر أجهزة طاقة GaN

نشرت مؤسسة تحويل الطاقة الفعالة (EPC) مؤخرًا تقرير موثوقية المرحلة 16، والذي يقدم نظرة عامة مفصلة عن البحث المستمر باستخدام طريقة الاختبار للفشل. تحتوي هذه الدراسة على اقتراحات شاملة لتحسين معايير الجهد الزائد وتعزيز الاعتمادية الحرارية والميكانيكية.

يقوم الإصدار الأحدث بتحليل آليات التآكل الأكثر أهمية في تطبيق معين بدقة. يتضمن هذا التكرار للدراسة توضيحًا شاملاً لمنهجية التنبؤ بموثوقية النظام في سيناريو مهمة في العالم الحقيقي، بما في ذلك فترات الضغط الكبيرة والثانوية.

موثوقية الجاليوم

تعد أجهزة نيتريد الغاليوم (GaN) واعدة لقدراتها العالية الطاقة والتردد العالي، ولكن موثوقيتها هي مجال رئيسي للبحث. تتكون آليات التحلل الرئيسية في GaN من التآكل الناجم عن الجهد الكهربي، والتآكل الناجم عن كثافة التيار، والتآكل الناجم إلى حد كبير عن عدم تطابق التمدد الحراري (CTE)، والتآكل المرتبط بالإجهاد الميكانيكي، والذي يتأثر أكثر عوامل التجميع والتطبيق.

يقدم الجدول 1 نظرة عامة موجزة عن آليات التآكل الرئيسية التي لها أهمية خاصة لتطبيق معين. تمثل الحروف من A إلى F استراتيجيات التخفيف الفردية التي سيتم شرحها بعد ذلك.

ويؤكد اختبار أشباه الموصلات القياسي عليها حدود ورقة البيانات الخاصة بها، بهدف عدم حدوث أي فشل. يقدم هذا النهج رؤية محدودة. من خلال دفع الأجزاء إلى الفشل، يمكننا معرفة الهوامش الحقيقية التي تتجاوز مواصفات ورقة البيانات وتحديد نقاط الضعف التي تسبب الأعطال.

إن فهم آليات الفشل هذه يسمح لنا بالتنبؤ بعمر التشغيل الآمن للرقاقة في ظل ظروف مختلفة، وليس فقط تلك التي تم اختبارها. مثل ترانزستورات الطاقة الأخرى، فإن العوامل الأساسية التي تسبب الإجهاد هي الجهد والتيار ودرجة الحرارة والرطوبة والقوى الميكانيكية.

كيفية التنبؤ بعمر الجهاز

يتم الحصول على الفشل في الوقت المناسب (FIT) للنظام، والذي يمثل معدل الفشل بأكمله، من خلال جمع معدلات الفشل لكل آلية فشل أو ضغوط:

يرمز FIT إلى “الفشل في الوقت المناسب”، وهو مقياس لعدد حالات الفشل التي تحدث في 10⁹ ساعات الجهاز. يحدد الحرف المنخفض آليات الفشل المحددة التي تم العثور عليها. يتناسب FIT عكسيا مع متوسط ​​الوقت حتى الفشل (MTTF)، كما هو موضح أدناه:

وبدمج المعادلتين نحصل على إجمالي MTTF كما يلي:

المقام ذو القيمة الأصغر لديه أدنى MTTF، وبالتالي له التأثير الأكبر على العمر بأكمله. ومن ثم، فمن الأهمية بمكان التأكد من الضغوطات المحددة التي تعمل كعنصر مقيد في تحديد الموثوقية.

تشير إلى معدلات فشل محددة FRa، FRb، ..، FRn (حالات الفشل لكل وحدة زمنية) ومع ta، tb، ..، tn مدة كل حالة إجهاد (ta+tb+..+tn=10⁹ ساعات)، ويمكن حساب FIT على النحو التالي:

يمكننا أيضًا حساب معدل الفشل المتوسط ​​للوقت FR على النحو التالي:

نقدم الآن وقت التشغيل الجزئي، المعطى بواسطة:

بالإشارة إلى a، b، …، n هذه الكسور، يترتب على ذلك أن مجموعها يجب أن يساوي 1، أي:

الآن، يمكن تبسيط حساب FR على النحو التالي:

عندما يتم إنشاء نفس العدد من حالات الفشل، فإن معدل الفشل تحت كل حالة ضغط فرعي يتناسب عكسيا مع عمر الجهاز LT، أي:

بعد بعض البدائل، نحصل على معادلة حساب إجمالي العمر المتوقع LT_{المجموع}:

حيث ال تي_أنا هو العمر المتوقع لكل حالة من حالات الإجهاد.

آليات التآكل

تعتبر نيتريد الغاليوم مادة واعدة لمختلف التطبيقات، ولكن فهم آليات تآكلها أمر بالغ الأهمية لضمان موثوقيتها على المدى الطويل. فيما يلي تفصيل لآليات التآكل الرئيسية في GaN.

تآكل البوابة

لتشغيل ترانزستورات GaN بنجاح، هناك حاجة إلى 5 VGS، مما يترك حاجزًا طفيفًا بين جهد الناقل الاسمي (~ 5 فولت) والحد الأقصى القياسي لورقة البيانات (VGS، الحد الأقصى = 6 فولت). إذا ظل انحياز البوابة أقل من 6 VGS، وهو الحد الأقصى للمهمة التي تستغرق من 10 إلى 25 عامًا، فإن معدل الفشل يقدر بأقل من جزء واحد في المليون (ppm).

ويعود معدل الفشل الصفري تقريبًا أيضًا إلى الخبرة الميدانية لشركة EPC، والتي لم تحدد مطلقًا أي أعطال في البوابة، على الرغم من أن التطبيقات تتطلب الكثير من المتطلبات، بما في ذلك السيارات والأقمار الصناعية وخوادم المؤسسات المتقدمة.

تظهر صورة فشل البوابة، التي تم الحصول عليها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، في الشكل 1. ويلاحظ حدوث انهيار عازل بين معدن البوابة ولوحة المجال المعدنية.

بالنسبة لتطبيقات العالم الحقيقي، يلزم وجود منهجية لتقدير العمر الإجمالي بدقة عند وجود ارتفاعات في الجهد الزائد للبوابة بشكل متكرر أثناء التبديل. بافتراض أن الجهد الاسمي للحافلة هو 5.5 فولت، فإن تقدير الجهد الزائد هو 120% من الجهد الاسمي للحافلة (6.6 فولت)، ودورة تشغيل التجاوز تبلغ حوالي 1%، ومن المتوقع أن يتجاوز العمر المتوقع 25 عامًا بمعدل فشل قدره 10 جزء في المليون. توضح هذه النتيجة موثوقية ممتازة للجهد الزائد للبوابة.

استنزاف التآكل

عندما يتعرض ترانزستور GaN لجهد مصدر التصريف العالي (VDS)، تزداد مقاومة الجهاز (RDS(on)) للجهاز. الآلية السائدة التي تسبب زيادة المقاومة هي محاصرة الإلكترونات بالقرب من قطب التصريف. عندما تتراكم الشحنة المحاصرة، فإنها تستنزف الإلكترونات من غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG) في حالة ON، مما يؤدي إلى زيادة في RDS(on).

يوضح الشكل 2 صورة مكبرة لترانزستور EPC2016C GaN توضح انبعاثات الحرارة ضمن النطاق البصري الذي يتراوح بين 1-2 ميكرومتر. تتوافق الانبعاثات الملحوظة في هذا النطاق المحدد من الطيف الكهرومغناطيسي مع وجود إلكترونات عالية الطاقة، ويتوافق موقعها داخل الجهاز مع المناطق التي تكون فيها المجالات الكهربائية أقوى عندما يتعرض الجهاز لمصدر تصريف تحيز.

يشرح النموذج القائم على المبادئ الأولى للفيزياء من EPC الزيادة في RDS(on) في ترانزستورات GaN أثناء التبديل الصعب. يفترض هذا المفهوم أنه يتم حقن الإلكترونات الساخنة في نطاق التوصيل للعازل السطحي فوق إمكانات السطح. بعد الدخول، تعتبر الإلكترونات محاصرة بشكل دائم في حالات الفجوة المتوسطة العميقة، وتفتقر إلى إزالة الاصطياد. أثناء انتقال التبديل، يؤدي تيار الحقن العالي والمجالات العالية إلى إنشاء توزيع طاقة حامل ساخن بذيول طويلة في مجال الطاقة العالية، مما يؤدي إلى إنشاء إلكترونات ساخنة.

تآكل الكثافة الحالية

قد تواجه أجهزة GaN قيودًا حرارية عند تعرضها لكل من التيار العالي وجهد مصدر التصريف العالي في وقت واحد. تم إجراء تقييم شامل لمتانة النظام، وأكدت النتائج دقة معايير التشغيل الآمنة المشار إليها في ورقة البيانات. في تطبيقات معينة، تعد القدرة على تحمل حالات خطأ الدائرة القصيرة أمرًا ضروريًا.

ومن ثم، تم إجراء اختبار الدائرة القصيرة، حيث أظهر GaN مرونة استثنائية في مواجهة ظروف الضغط الشديدة هذه. غالبًا ما يستفسر العملاء عن قوة الهجرة الكهربائية (EM) للأجهزة عندما تتعرض لتيارات عالية مستمرة في درجات حرارة مفرطة. خضعت أجهزة الطاقة الرباعية المسطحة الخالية من الخيوط (PQFN) لاختبار الكهرومغناطيسي المتسارع (EM)، والذي كشف عن مقاومتها الاستثنائية لـ EM.

التآكل الحراري الميكانيكي

يعد تكسير مفاصل اللحام مشكلة نموذجية في التطبيقات التي تواجه تغيرات متكررة وكبيرة في درجات الحرارة. يحدث هذا التشقق عندما يكون هناك عدم تطابق في معامل التمدد الحراري (CTE) بين المواد المعنية. في هذا القسم، يتم إنشاء نموذج شامل لدورة درجة الحرارة (TC) عن طريق إخضاع الأجزاء للاختبار حتى يحدث الفشل. يتضمن النموذج مدى الحياة حجم الجهاز، وشكل النتوء، وارتفاع الوقوف، والعديد من معلمات PCB مثل المعامل، ونسبة بواسون، والسمك.

يوصى بملء الأجهزة ذات الحجم الصغير (CSP) بمواد ذات جودة مناسبة عندما لا يفي العمر المتوقع للأجهزة بمعايير العملاء. يمكن أن يساعد هذا في تحسين عمر التدوير الحراري (TC). عند التعامل مع أجزاء QFN المعبأة، والتي لها بطبيعة الحال مسافة منخفضة نسبيًا بين المكون ولوحة الدائرة، فمن الضروري تقليل الزاوية التي يتم وضع القالب بها والتأكد من ثبات وصلات اللحام على جانبي المكون متصلة بالمناطق القابلة للبلل. ولذلك، يتم توفير إرشادات تصميم الاستنسل خصيصًا لأجزاء QFN لتوجيه عملية التجميع.

تآكل الإجهاد الميكانيكي

قد تكون متانة المنتج، أو قدرته على الاستخدام في العديد من التطبيقات، مقيدة بالضغوط الميكانيكية التي يتعرض لها. يوفر هذا القسم وصفًا للضغوطات الميكانيكية الأكثر شيوعًا، بما في ذلك قص القالب، والضغط الخلفي، وقوة الانحناء. لقد أثبتت عبوات CSP وQFN مرونتها عند إخضاعها لظروف التجميع أو التركيب النموذجية.

خاتمة

مع النمو المستمر في إنتاج أجهزة GaN وتوسيع نطاق التطبيقات، تظهر مشكلات موثوقية متميزة يمكن أن تختلف وفقًا لحالة الاستخدام المحددة. من خلال فهم آليات التدهور التي تؤثر على النظام خلال كل مرحلة من مراحل مهمته، من الممكن حساب عمر أجهزة GaN بشكل تحليلي لأي تطبيق معين. لتقليل معدل فشل كل آلية تآكل، يوصى بالالتزام بالمعايير الموضحة في هذا التقرير، والتي تم إثباتها من خلال الاختبار حتى الفشل.

مراجع

¹ EPC، تقرير الموثوقية – المرحلة 16

ظهر المنشور تقييم الموثوقية وعمر أجهزة طاقة GaN للمرة الأولى على Power Electronics News.