GaN 晶體管提高了電源系統的性能，同時還能降低組件成本。但是我們如何評估它的質量和可靠性呢？

GaN Systems 的首席執行官 Jim Witham回答了我們關于此事的問題，并描述了功率晶體管行業如何熟悉聯合電子器件工程委員會 (JEDEC) 中以硅晶體管標準為基礎的資格指南。但是對于 GaN，器件材料不同，因此失效模式和機制也不同。

Witham 指出，確定在 JEDEC 和 AEC-Q 下測試 GaN的指南是 GaN 行業研究工作的一部分。他補充說：“這項分析的一個結果是，影響電子系統壽命的任務概況正在發生變化。例如，內燃機汽車需要 8,000 小時的使用壽命，而 HEV/EV 車載充電器需要超過 30,000 小時，幾乎增加了 4 倍”。

行業方法

該氮化鎵產業的目的是證明氮化鎵的解決方案至少有相同的預期壽命為硅MOSFET，理想，美好的生活。該行業和 JEDEC JC-70 委員會正在努力為 GaN 和 SiC 器件定義一系列測試、條件和通過/失敗標準，以確保系統可靠性并加速市場發展。Witham 補充說，行業聯盟正在努力克服差異——具有不同技術的供應商和具有不同商業利益的供應商——一些擁有硅和 GaN，一些只有 GaN，其他一些擁有硅、碳化硅和 GaN。

“我相信關鍵要素之一是產品開發周期。我們首先要做的是設計一個產品。其次是資格，我們對產品施加高壓、高溫、高相對濕度和高頻的壓力。執行資格測試以確保半導體器件在應力之前和之后都按設計運行。接下來，我們對產品進行故障測試，以表明所有故障模式都已被理解。然后，關鍵是確保將這些信息包含在產品開發周期中。了解故障模式、重新設計、獲得更長壽命的整個過程非常關鍵。那么證據就在數字中。因此，我們已經證明，GaN Systems 晶體管的使用壽命與最好的硅功率晶體管一樣好或更好，”Witham 說。

然而，Witham 指出存在一些挑戰。故障機制因供應商而異。一些供應商可能沒有正確的知識。對于了解故障機制的其他公司，這些公司可以將他們的機制與測試和設計聯系起來，以確保 GaN 晶體管的長壽命和整體系統可靠性。

在 JC-70 的努力下，GaN Systems 已與多家汽車和工業客戶合作，以制定戰略和認證流程，以確保 GaN Systems 設備的可靠性和穩健性。該策略的關鍵要素可以概括為器件故障模式、晶體管設計、測試設計和制造過程。

Witham 還補充說：“合作的結果包括作為基準應用的 JEDEC 標準和 AEC-Q101 測試，以及針對硅和 GaN 之間在材料和故障模式方面的差異實施的其他測試方法。故障測量是使用 FMEA 和測試到故障方法確定的，并且所有測試均針對外在和內在故障模式進行。我們將這些程序稱為增強型 JEDEC 和 AutoQual+ 測試。”

經過正確的設計，外在機制通常是由制造過程中的錯誤引起的——裝配缺陷。這些外在缺陷需要由制造商通過測試篩選出來。另一方面，內在機制是由應用中產品在整個生命周期內材料的自然降解引起的。

圖 1：H3TRB 測試的延長持續時間測試示例

為了證明穩健性和可靠性，測試已擴展到 JEDEC 要求之外。“圖 1 顯示了擴展到 JEDEC 的測試性能示例。圖表顯示，在 JEDEC 測試和 AEC-Q101 測試規范所需測試持續時間的 5 倍時，性能穩定，”Witham 說。

與行業專家的合作使 GaN System 能夠實施增強型 JEDEC 系統，如圖 2 所示。

圖 2：增強型 JEDEC GaN 認證

對于汽車合格產品，遵循類似的方法，包括完成標準 AEC-Q101 測試，然后通過增量測試補充這些測試以考慮 GaN 和硅之間的差異。Witham 強調，資格條件引導我們對系統的整體壽命進行定義和估計。他說，“理解生命需要對故障模式、故障機制、任務概況和產品設計有全面的了解。一旦了解了故障機制，就根據故障機制的加速進行測試選擇。“

壽命模型定義了半導體組件如何根據預定時間段的預期運行。這些模型包括使用電壓和溫度或其他因素來計算使用威布爾圖（圖 3 和圖 4）的加速系數，并確定特定操作條件下的故障時間 (FIT)（任務配置文件）。

圖 3：壽命加速因素

圖 4：TDSB 威布爾圖示例

“在 GaN Systems 的解決方案中，主要的故障模式是 TDSB（時間相關肖特基擊穿）。有趣的是，這種失效測試是在較低溫度下進行的，因為這種失效機制在低溫下發生得更快。這意味著溫度越低，壽命越短，”Witham 強調說。

在可靠性方面最困難的市場是汽車、工業和高可靠性航空航天領域。GaN Systems 所做的是與各種客戶采取協作方式。“我們組建了一個團隊，并確保我們了解什么測試以及他們想看到什么，我們在團隊內部開發了測試方法。這樣我們就可以確定，一旦我們完成，客戶就會從他們的角度得到正確的結果，”Witham 說。

GaN Systems 晶體管的可靠性包括穩健的故障模式分析、嚴格的設計以及一系列資格和壽命測試。所有這些努力使公司能夠為汽車、工業和航空航天應用提供強大而可靠的解決方案。

審核編輯：郭婷