موثوقية جهاز الطاقة SiC وGaN

مع توسع مساحة تطبيق أشباه موصلات الطاقة من نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC)، تواجه موثوقية وجودة هذه الأجهزة متطلبات صارمة بشكل متزايد. في هذه المقالة، سنلخص مناقشة حول الوضع الحالي لهذه المشكلة والتوقعات المستقبلية في لجنة الموثوقية خلال مؤتمر ومعرض PCIM 2024 الذي اختتم مؤخرًا في نورمبرغ، ألمانيا. قام ماوريتسيو دي باولو إميليو، رئيس تحرير موقع Powerelectronicsnews.com، بإدارة هذه الجلسة. وكان من بين المشاركين أليكس ليدو، الرئيس التنفيذي لشركة Efficient Power Conversion (EPC)؛ وتيري بوشيه، الرئيس التنفيذي لشركة Wise Integration؛ تيموثي هان، رئيس SemiQ؛ وكيفن سبير، مدير تكنولوجيا SiC Power Solutions في شركة Microchip Technology.

مساحة المنتجات والتكنولوجيا

أولاً، دعونا نناقش المنتجات والتكنولوجيا التي تنتجها الشركات الموجودة في هذه اللوحة.

يُنتج التكامل الحكيم دوائر GaN المتكاملة للطاقة (WiseGaN®) جنبًا إلى جنب مع التحكم الرقمي GaN (WiseWare®). يوفر جهاز التحكم الدقيق 32 بت مع البرامج الثابتة المخصصة التحكم الرقمي. ينصب تركيز المنتج الحالي على سوق إمدادات الطاقة الاستهلاكية. تستهدف المنتجات الأولية إمدادات 150 و300 واط باستخدام أجهزة طاقة GaN ذات الوضع الإلكتروني بقدرة 650 فولت. يمكن استخدام عمود الطوطم PFC مع طوبولوجيا LLC أو HB، مع مزايا التحكم الرقمي التي تتيح تشغيل تردد أعلى يصل إلى 300 كيلو هرتز لـ PFC و2 ميجا هرتز لـ LLC. يعمل WiseWare2®‎ المستقبلي على محاكاة PFC افتراضيًا ويستخدم محاثة المحول لتحقيق وظيفة PFC، مما يقلل من تكلفة المواد ويحسن كثافة الطاقة بشكل أكبر.

EPC هي شركة رائدة في مجال إمدادات الطاقة القائمة على GaN لقطاع المستهلكين ومراكز البيانات. إنهم يقومون بتصنيع كل من الأجهزة المنفصلة ووحدات GaN المتكاملة التي تغطي نطاقًا واسعًا من الجهد من 15 فولت إلى 350 فولت. وأشار Lidow إلى أنه على الرغم من النمو الحالي لمساحة التطبيقات في سوق خوادم الذكاء الاصطناعي، فمن المحتمل أن يشمل النمو المستقبلي الروبوتات والتنقل والطاقة الشمسية. تحويل. تشمل الأمثلة الطائرات بدون طيار، ومركبات التوصيل، والدراجات الإلكترونية والدراجات البخارية، والمحولات الدقيقة الكهروضوئية.

تأسست شركة SemiQ في عام 2008، وهي شركة تصنيع Fabless SiC موجهة نحو السوق الصناعية مثل أجهزة الشحن السريعة التي تعمل بالتيار المستمر، والطاقة الكهروضوئية، والطاقة اللاسلكية، والتطبيقات الطبية، والمركبات الكهربائية (EVs). ضمن قطاع السيارات الكهربائية، تركز SemiQ بشكل أكبر على مساحة الطاقة المنخفضة مثل أجهزة الشحن الموجودة على متن السيارة (OBCs)، والضاغط الإلكتروني، ومحولات DC-DC. تشمل مجموعة منتجات SemiQ القوالب العارية والأجهزة المنفصلة بالإضافة إلى الوحدات النمطية، وذلك باستخدام 1200 وحدة MOSFET ذات تصنيف فولت بالإضافة إلى صمامات شوتكي ثنائية ذات تصنيف 600 فولت و1200 فولت.

Microchip Technology هي شركة كبيرة متخصصة في حلول التحكم المدمجة. جاء وجودهم في SiC من خلال الاستحواذ على Microsemi في عام 2018. لا تتبع Microchip نموذج التكامل الرأسي الكامل، حيث تعتمد على الشركات المصنعة للركيزة و epi لتوفير SiC الأولي، مع الاعتماد على نهج تصنيع الأجهزة المزدوجة في تصميماتها باستخدام المسابك بالإضافة إلى مصنعهم الرائع في كولورادو بالولايات المتحدة الأمريكية. تشمل مجموعة منتجات SiC الخاصة بهم صمامات شوتكي ودوائر MOSFET في قالب مكشوف وشكل حزمة منفصلة، ​​بالإضافة إلى وحدات الطاقة. تتراوح نطاقات الجهد من 700 فولت إلى 3300 فولت والتي تغطي مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والدفاعية.

آليات الفشل والاختبار

بدأ Lidow هذا القطاع من خلال ربط موثوقية الجهاز بآليات السبب الجذري. تعمل الضغوطات المختلفة على الجهاز والنظام أثناء تشغيله. وتشمل هذه درجة الحرارة وتقلبات درجة الحرارة والرطوبة والجهد والتيار. تؤدي عوامل الإجهاد هذه إلى آليات تآكل مختلفة. يمكن أن يكون التآكل إما تغيرًا تدريجيًا في الأداء أو كارثيًا. أكملت EPC على مر السنين دراسة لجميع الضغوطات المعروفة وآلية تآكلها على أجهزة GaN التي تنتجها.

وبالنظر إلى التآكل الجوهري، فإن وجهة نظره هي أن GaN يتمتع بموثوقية فائقة مقارنة بـ Si. تحتاج العيوب الخارجية مثل تلك التي تم إنشاؤها أثناء تصنيع الأجهزة إلى الخبرة والعديد من دورات التعلم لتحسينها، وقد أظهر هذا تحسنًا كبيرًا في GaN على مدى السنوات القليلة الماضية. يعد الإجهاد الميكانيكي الحراري آلية تآكل رئيسية في دراسات اختبار الموثوقية والعمر، ومن الخبرة المكتسبة من خلال حجم كبير من الأجزاء العاملة في المجال في تطبيقات متنوعة مثل خوادم الذكاء الاصطناعي، والتنقل الإلكتروني، والفضاء.

المقاومة الديناميكية على الدولة (dR_ديسون) تعتبر منذ فترة طويلة واحدة من آليات التآكل الرئيسية في جهاز GaN HEMT، ولكن التحسينات في التصميم والعملية تتجنب محاصرة شحنة الإلكترون التي تعد السبب الجذري عند تشغيل الجهاز في ظل ظروف محددة. يعتبر الآن أكثر من مصدر قلق للإرث. يتم الآن تحديد الجهد الزائد العابر في ورقة البيانات ولا يُنظر إليه على أنه آلية تآكل ذات تصميم جيد للنظام. استخدمت EPC منهجية الاختبار للفشل لفهم أوضاع الفشل وتحسين العمر، ومن الأمثلة على ذلك استخدام نقص الملء في حزمة مقياس الرقاقة (CSP) الخاصة بها لتعزيز عمر دورة درجة الحرارة (TC).

وشدد بوشيه على أهمية اتباع طريقة فحص شاملة للتخلص من العيوب الخارجية. تتبع اختبارات الموثوقية في Wise Integration معايير JEDEC وتتضمن العمر الديناميكي لدرجات الحرارة العالية (DHTOL) في ظل ظروف التبديل الصعبة والناعمة. يمكن أن يؤدي تغيير تردد التبديل إلى إنشاء سلوك غير نمطي، خاصة عند الترددات العالية اللازمة لمرحلة الشركة ذات المسؤولية المحدودة، ويحتاج إلى اعتبارات تصميمية دقيقة.

في أجهزة SiC MOSFET، يعتبر أكسيد البوابة منذ فترة طويلة نقطة الضعف في الجهاز. ذكر هان أنه يتم استخدام سماكة أكسيد البوابة النموذجية من 40 إلى 50 نانومتر، ولا تزال جودة الرقائق الحالية مقاس 6 أو 8 بوصات على هذا الأكسيد أقل مقارنة بتلك المنتجة على رقائق Si مقاس 12 بوصة. يجب فحص نقاط الضعف الناتجة عن عيوب الواجهة. تتضمن الطريقة التي تستخدمها شركة SemiQ اختبار الضغط الزائد على أكسيد البوابة باستخدام بطاقات مسبار متقدمة يمكنها لمس جميع الأجهزة في وقت واحد.

على سبيل المثال، في منتج 2000 قالب/رقاقة، سيتضمن ذلك 4000 دبوس بوجو تلامس البوابة ومنصات المصدر لكل من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET). سيتم تنفيذ الإجهاد عند درجة حرارة تتراوح من 150 درجة مئوية إلى 175 درجة مئوية، والجهد 35 فولت أو أعلى لمدة ساعتين. يقوم هذا الإجهاد الناتج عن درجات الحرارة المرتفعة بحجب حوالي 0.15% إضافية من القالب الضعيف مقارنة بشاشة درجة حرارة الغرفة. والنتيجة هي رقاقة منقولة بنسبة 100%. تعد انجرافات عتبة الجهد (Vth) آلية أخرى للتآكل، خاصة من تبديل البوابة على مدار عمر الأجزاء. يمكن أن يختلف هذا التحول من رقاقة إلى أخرى ومن مجموعة إلى أخرى. يمكن أن يكون الإزاحة Vth الإيجابية في حدود حوالي 5% على وحدات SemiQ المستوية SiC MOSFETs. والنتيجة هي زيادة بنسبة 5% في RDSON على مدى عمر الجهاز. لقد تحسن هذا التآكل بشكل ملحوظ خلال السنوات القليلة الماضية، مع تحولات تزيد عن 1 فولت في Vth منذ حوالي 5 سنوات.

أكد سبير على أن المشكلة الرئيسية المتعلقة بنمو أكسيد البوابة على كربيد السيليكون هي وجود الكربون في الواجهة التي تخلق مجموعات وحالات واجهة. مرت Si MOSFETs أيضًا بالعديد من دورات التعلم حول أكسيد البوابة على مدار العقود العديدة من تطويرها وتصنيعها. أدت التحسينات في معالجة أكسيد بوابة SiC على مدى السنوات القليلة الماضية إلى تحسين الموثوقية الجوهرية بشكل كبير، مع تجاوز العمر المتوقع للانهيار (TDDB) 100 عام عند درجة حرارة 175 درجة مئوية في ظل أقصى ظروف تشغيل محددة.

إن حركة قناة الإلكترون في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) المستوية أقل بكثير من التقديرات النظرية، وذلك بسبب مزيج من حالات الواجهة والعيوب والبنية البلورية. تستفيد وحدات Trench SiC MOSFETs من المستوى المنشوري وتحقق حركيات يمكن أن تصل إلى أربعة أضعاف تلك التي تم الحصول عليها على الجهاز المستوي. وبالتالي يمكن استخدام أكسيد البوابة الأكثر سمكًا والأكثر وعورة في جهاز الخندق مع الحفاظ على المزايا في R المحدد_ديسون قياس. يمكن أن تكون المقايضة في جهاز الخندق عبارة عن تحديات عملية وصلابة الانهيار الجليدي.

اختبارات متانة النظام والموثوقية المتقدمة

الاتجاه السائد في أجهزة طاقة GaN هو تكامل أكبر لميزات الاستشعار والحماية في نفس الحزمة. يمكن أن تشمل هذه الميزات درجة الحرارة الزائدة (OT)، والتيار الزائد (OC)، والجهد الزائد (OV) بالإضافة إلى دوائر تثبيت ميلر. تمنع هذه الميزات جهاز GaN من الخروج من منطقة التشغيل الآمنة (SOA). وأشار بوشيه إلى أن متانة وإنتاجية هذه العناصر الحسية التناظرية تحتاج أيضًا إلى النظر فيها. لم تظهر اختباراتهم أي جوانب سلبية لإضافة المزيد من الميزات المنطقية، ولم تظهر سوى الجانب الإيجابي المحتمل لتحسين موثوقية النظام.

يمكن أن يكون تحديد مواصفات المهمة أمرًا أساسيًا لفهم ما إذا تم إنشاء آليات تآكل جديدة في تطبيقات محددة. قامت شركة EPC بذلك بالنسبة لأجزاء GaN لتطبيق الطاقة الكهروضوئية في فينيكس، أريزونا. تعتبر هذه حالة إجهاد حراري صعبة للغاية، وتتنبأ دراساتهم بعمر يصل إلى 45 عامًا مع معدل فشل يبلغ 0.01%. الضغوطات الميكانيكية الحرارية هي المحركات الرئيسية هنا.

ذكر بوشيه أن تحديد المهام على مصادر طاقة التيار المتردد/المستمر الخاصة بهم يتضمن اختبارات تبديل بسيطة بترددات عالية في مرحلة LLC، والتبديل الصعب لـ PFC المتصل بالشبكة. يمكن أن يمثل التبديل الصعب تحديات فريدة ويحتاج إلى اعتبارات خاصة.

وأكد هان أنه بالنسبة لتطبيقات مثل عاكس الجر EV، قد لا يكون معدل فشل مستوى جزء في المليون جيدًا بما فيه الكفاية. عادة، يمكن استخدام ما يصل إلى 36 MOSFETs بالتوازي في مثل هذه التطبيقات. يجب استكمال اختبارات الجهد الزائد للبوابة على مستوى الرقاقة باختبارات احتراق استنزاف التحيز العكسي (HTRB) التي تتم عند درجات حرارة عالية. يتمتع SemiQ بتدفق اختبار فريد بعد تخصيص القالب. يتم اختبار كل قالب عند 175 درجة مئوية وفحص خصائص التيار المستمر، واختبارات التبديل الأساسية، بالإضافة إلى اختبار الحمل الحثي غير المثبت (UIL). يتم بعد ذلك إجراء فحص بصري آلي كامل. يمكن بعد ذلك وضع القالب العاري الجيد المعروف في شريط وبكرة برموز شريطية تعريفية فريدة لكل قالب.

ناقش سبير معايير HV-H3TRB الجديدة لـ SiC. يتضمن ذلك اختبار الجهاز عند رطوبة عالية ودرجة حرارة عالية و80% من جهد التصريف المقدر لمدة 1000 ساعة. والشرط هو ألا يتجاوز التسرب خلال مدة الاختبار أكثر من 10 أضعاف ما حدث في بداية هذا الاختبار. يتطلب هذا الاختبار الصعب تحسين تصميم الجهاز، والتخميل، والتعبئة لتقليل التآكل الناتج عن الحقول العالية أثناء الرطوبة العالية ودرجة الحرارة. وحتى بعد ذلك، يحدد AQG 324 اختبارًا ديناميكيًا جديدًا HV-H3TRB حيث ينبض جهد التصريف بشكل مستمر عند مستويات أكبر أكثر من 50% من جهد التشغيل الاسمي. يمكن أيضًا أن تكون اختبارات تدوير الطاقة (PC) مهمة جدًا وصعبة في SiC نظرًا لمعامل Youngs الأعلى بكثير مقارنة بـ Si، والضغط الناتج على اللحام. وهذا يخلق دورات من التعلم في تقنيات التعبئة والتغليف المتقدمة.

ظهرت موثوقية جهاز SiC و GaN Power لأول مرة على Power Electronics News.