متطلبات موثوقية SiC و GaN
في مؤتمر PCIM Europe 2023 الأخير ، تمت مناقشة أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة مثل SiC و GaN على نطاق واسع من حيث التحسينات في أدائها ، بالإضافة إلى استخدامها في التطبيقات الجديدة التي تغطي المجالات الصناعية والسيارات.
ركزت حلقة نقاش يديرها ماوريتسيو دي باولو إميليو ، رئيس تحرير Power Electronics News و EEWeb ، على موثوقية هذه الأجهزة. تألفت اللجنة من خبراء يمثلون قادة الصناعة مثل تحويل الطاقة الفعال (EPC) و Innoscience في GaN و Infineon Technologies و onsemi في SiC و Navitas Semiconductor مع التمثيل الفريد لكلتا المادتين. في هذه المقالة ، سنركز على بعض متطلبات الموثوقية والجودة الرئيسية لأجهزة طاقة SiC و GaN التي تمت مناقشتها من قبل مختلف أعضاء هذه اللوحة.
بدأ أليكس ليدو ، الرئيس التنفيذي والمؤسس المشارك لشركة EPC ، المناقشة باقتباس من عالم الفيزياء الشهير ريتشارد فاينمان: “ما لا أستطيع استنتاجه ، لا يمكنني فهمه”. هذا البيان له آثار مباشرة في فهم موثوقية المواد الجديدة نسبيًا المستخدمة في التطبيقات الجديدة. على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية أو نحو ذلك ، نظرت EPC في كل ضغوط لجهاز e-mode GaN الذي تصنعه ووصفت التغيير في سلوك الجهاز بسبب هذه الضغوط في ظل مجموعة متنوعة من الظروف. يساعد هذا في تطوير آلية فشل السبب الجذري وبالتالي اشتقاق الفيزياء ومعدل الفشل وراء كل آلية.
قال دينيس ماركون ، المدير العام لشركة Innoscience ، إن GaN ليس مادة جديدة حقًا ، حيث تم استخدامه في تطبيقات الترددات اللاسلكية لعدد من السنوات قبل اعتماده كجهاز طاقة. ومن ثم ، فهي تستفيد من العديد من الدراسات لفهم أوضاع فشلها وكذلك الاستفادة من تقدم التصنيع من تصنيع قوالب السيليكون.
لقد تجاوزت شركة Innoscience وآخرون اختبارات الموثوقية والإنتاج القياسية للتأكيد على فشل الأجزاء ، واستنباط منحنيات العمر التي يمكن أن تقدر عمر معدل فشل قدره 1 جزء في المليون. المقاومة الديناميكية على الحالة (RDS (تشغيل)) هو موضوع تمت مناقشته كثيرًا باعتباره وضع فشل محتمل لـ GaN في تبديل التطبيقات ويمكن اعتباره أحد أعراض عيوب المواد. حلت Innoscience هذه المشكلة من خلال العديد من التحسينات العملية. أدى التحكم في ملف تعريف المنشطات المغنيسيوم في بوابة HEMT للوضع الإلكتروني واستخدام تقنية طبقة تحسين الإجهاد (SEL) من Innoscience إلى تحسين ديناميكية R بشكل كبيرDS (تشغيل) السلوك إلى تحول أقل من 20٪ على الجهد الكامل ونطاق درجة الحرارة وفترة 1000 ساعة من التبديل المقاوم ، كما هو موضح في الشكل 1.
هناك مجال آخر يتم الحديث عنه كثيرًا وهو الافتقار إلى القدرة على الانهيار الجليدي في أجهزة GaN HEMT. ومع ذلك ، فإن قدرة الجهد الزائد العالية جوهريًا لهذه الأجهزة تجعلها آمنة للاستخدام بهامش عابر كافٍ يتجاوز الفولتية العادية لتشغيل الجهاز. شحنت شركة Innoscience الآن 120 مليون قطعة من GaN على مدار عامين بدون عوائد.
قال بيتر فريدريش ، نائب رئيس SiC في Infineon Technologies ، إنه في التطوير المبكر لأجهزة SiC (حوالي عام 2011) ، وجد العملاء العديد من المشكلات المتعلقة باستقرار الجهاز. كانت هذه فريدة بالنسبة إلى SiC وبالتالي يلزم فهمها. كان لابد من اختبار الأجهزة بما يتجاوز عمليات التأهيل المعيارية والتشديد على إطلاق أنماط الفشل لاشتقاق نماذج الفشل. يظهر هذا الاختبار القوي لقياس تآكل الجهاز في منحنى معدل فشل حوض الاستحمام النموذجي في الشكل 2.
يمكن لأوضاع تشغيل الأجهزة تعديل سلوك الفشل. يمكن بعد ذلك استخدام أنماط الفشل ، بمجرد فهمها ، لتغيير عمليات التأهيل مما يستخدم عادةً في السيليكون. يمكن أن يكون أحد الأمثلة على ذلك ما إذا كان اختبار الإجهاد لمدة 1000 ساعة المستخدم تقليديًا في تأهيل جهاز السيليكون كافيًا ل SiC. لم يكن لدى Infineon إرجاع واحد لفشل حقل SiC.
ناقش Jaume Roig Guitart ، عضو الطاقم الفني في onsemi ، تصنيع SiC والغربلة الكهربائية التي تم إجراؤها في onsemi. تتمتع Onsemi بميزة التدفق الرأسي للتصنيع. وهذا يشمل القدرة من نمو البلورات وصولاً إلى تغليف الجهاز. ومن ثم ، يمكنه التحكم بإحكام في التدفق بالكامل لضمان معالجة عالية الجودة وعمليات فحص في الخط يمكن أن تستبعد أي عيوب قاتلة ، وحرق في الغربلة الكهربائية واختبار متوسط الجزء الديناميكي لإزالة القيم المتطرفة. يعد ملف تعريف مهمة تطبيق العميل خطوة أساسية في تصميم خطة التأهيل لهذا الغرض. أنسيمي مشارك نشط في لجان وضع معايير الجودة مثل JEDEC و ARC و AQG324.
تنتج الآن Navitas Semiconductor ، من خلال الاستحواذ على GeneSiC ، أجهزة طاقة SiC و GaN. قال ستيفن أوليفر ، نائب الرئيس للتسويق المؤسسي وعلاقات المستثمرين في Navitas ، إن نهج الشركة في GaN كان دمج المحرك ووظائف الإحساس والحماية الأخرى بشكل موحد داخل GaN die نفسه. يتيح ذلك إضافة ميزات تحسين الموثوقية ، مثل الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي 2 كيلو فولت على المسامير ، والحماية من الحرارة الزائدة والتيار الزائد ، ومحرك بوابة أكثر تحكمًا.
شحنت Navitas أكثر من 75 مليون قطعة من أجزاء GaN IC ، مع أكثر من 500 مليار ساعة في هذا المجال. معدل الفشل <1 جزء في المليون. تختبر Navitas منتجات GaN الخاصة بها بسرعة عالية (2 ميجاهرتز) ، والتي كانت مفتاحًا لإيجاد وحل بعض المشكلات أثناء تطوير الجهاز. يمكن أن تظهر الاختبارات الخاصة بالتطبيقات مثل التحويل الثابت مقابل التبديل الناعم توقيعات فشل فريدة.
على جانب SiC ، يستخدم GeneSiC تدفق عملية بوابة مستوية بمساعدة الخندق الذي يضمن أكسيد بوابة موثوقًا وجهازًا مع خسائر توصيل أقل. أظهرت الاختبارات تشغيل جهاز أكثر برودة بحوالي 25 درجة مئوية في تطبيق محول DC / DC بقوة 150 كيلوهرتز و 1200 فولت و 7.5 كيلو واط. يُقدر هذا الاختلاف في درجة الحرارة لتحسين عمر الجهاز بمعامل 3. تقوم الشركة بإجراء اختبار الانهيار الجليدي بنسبة 100٪ على منتجات SiC ، ويظهر مثال على ذلك في الشكل 3.
خلال مرحلة الأسئلة والأجوبة من المناقشة ، تم طرح سؤال حول أهمية اختبارات فحص موثوقية الإنتاج. أوضح Lidow أنه يمكن عادةً فحص العيوب الخارجية في الجهاز من خلال اختبارات الإجهاد المفرط في الإنتاج. يمكن اكتشاف العيوب الجوهرية من خلال أخذ العينات الدورية وإجراء اختبارات إجهاد عالية السرعة. يمكن أن يضمن ذلك عدم ظهور أي أوضاع فشل جديدة.
قال Guitart أن onsemi قد أظهر أن أكسيد البوابة الجوهري في أجهزة SiC كان متينًا. في الواقع ، يحتاج خندق السيليكون FET إلى سماكة أكسيد بوابة تزيد عن 800 ألف لمطابقة عمر أكسيد البوابة الجوهري لـ SiC المستوي FET مع أكسيد 500-A. هذا موضح في الشكل 4 ، والذي يوضح منحنيات الفشل بنفس السماكة. المفتاح هو التحكم في العيوب الخارجية وتجنبها ، والتي تنطوي على نمو بلوري عالي الجودة ، وضمان واجهات نظيفة والتحكم في كثافة الشحن.
تم طرح سؤال آخر حول الاختلافات في متطلبات الموثوقية بين التطبيقات الصناعية وتطبيقات السيارات. أجاب Lidow أنه ربما تكون أصعب المتطلبات في تطبيق العاكس الشمسي. هنا ، أراد أحد العملاء في Phoenix الحصول على بيانات الموثوقية على مدى 35 عامًا. تم إجراء دراسة بواسطة EPC لدراسة الضغوطات المختلفة وبالتالي تطوير نموذج لمعدلات الفشل. يظهر هذا في الشكل 5 لضغوط جهد أكسيد البوابة ، ديناميكي RDS (تشغيل) والدورة الحرارية الميكانيكية للعبوات. وُجد أن التدوير الحراري الميكانيكي هو المحدد الرئيسي للفشل في هذه الحالة ، مع وجود 12775 دورة على مدى 35 عامًا من المتوقع أن تعطي معدل فشل بنسبة 1 ٪.
أجاب فريدريش أيضًا أنه على الرغم من أن متطلبات فشل السيارات بنسبة 0 جزء في المليون كانت أكثر صرامة ، فإن ملف تعريف مهمتهم عادةً ما يكون له وقت استخدام أقل. وبالتالي ، يمكن استخدام التطبيقات الصناعية ذات ملفات تعريف المهام المختلفة لتطوير الجهاز وتحسينه قبل استخدام السيارات. أيضًا ، كانت الدراسات على مستوى النظام مهمة أيضًا لفهم النظام البيئي حول جهاز الطاقة وتفاعلها.
في الختام ، قال أعضاء اللجنة إن أجهزة SiC و GaN كانت في جوهرها أكثر موثوقية من السيليكون. ومع ذلك ، مع تطوير تطبيقات جديدة ، ستضمن الاختبارات وطرق التأهيل الجديدة بالإضافة إلى تحسينات العملية تقليل العيوب الخارجية وفحصها. سيضمن اختبار الموثوقية الخاص بالتطبيق أيضًا ثقة أكبر في استخدامها.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
