dieser Fachbeitrag
Transcrição
dieser Fachbeitrag
Leistungshalbleiter Wide-Bandgap-Halbleiter GaN-on-Si ist zuverlässig Auf Galliumnitrid basierende Leistungshalbleiter befinden sich immer noch in der Einführungsphase, sodass Fragen hinsichtlich der Zuverlässigkeit dieser Bausteine bestehen. Leider kursieren darüber hinaus zahlreiche Fehlinformationen, hauptsächlich aufgrund von Ausfällen solcher Leistungshalbleiter. Aber waren diese Ausfälle nun material- oder konstruktionsbedingt? Langzeittest geben nun die Antwort. Carl Blake, Dr. Kurt V. Smith, Dr. Yifeng Wu B is vor kurzem waren noch keine Ergebnisse bezüglich der Langzeitstabilität von GaN-Bausteinen mit 600 V Sperrspannung verfügbar. Das Vertrauen der Kunden basierte auf der Leistungsfähigkeit der ersten Muster, gefolgt von Betamustern, welche die meisten Qualifikationstests bestanden hatten, und schlussendlich von JEDEC-qualifizierten Mustern, wie die des Herstellers Transphorm. Um die Fragen bezüglich der Zuverlässigkeit von Galliumnitrid beantworten zu können, hat Trans- Schwachpunkte beseitigt Bevor man mit aussagekräftigen Tests bezüglich der erweiterten Lebensdauer beginnen konnte, war zunächst ein stabiler Refe- renzprozess zu entwickeln. Dieser besteht aus einer Reihe von Tests (beispielsweise die von der JEDEC festgelegten Testverfahren), mit Bild 1: Ausfälle im Laufe der Zeit, »Badewannenkurve« genannt phorm Stichproben von 600-VBausteinen genommen, die den üblichen 1000-Stunden-Belastungstest bestanden hatten, und diese einem erweiterten Langzeitbelastungstest unterzogen. Dieser Artikel beschreibt die Ergebnisse, die über die ersten tausend Stunden der Belastungstests hinaus erzielt wurden. Zudem bietet er einen Einblick in die Qualität und die Zuverlässigkeit der Hochspannungs-GaN-Leistungshalbleiter der ersten Generation. 22 09 | 2014 denen bestimmt wird, ob sich bestimmte Siliziumbausteine für den Einsatz in kommerziellen Anwendungen eignen. Die Ziele dieser Tests sind in Tabelle 1 aufgeführt. Bild 1 zeigt die traditionelle »Badewannenkurve« zur Beschreibung der Ausfallrate über die Zeit. In der frühen Entwicklungsphase der Produktfamilie »EZ-GaN« von Transphorm zeigte sich eine hohe Ausfallrate, die auf Probleme sowohl hinsichtlich des Designs als auch der Herstellung hinwies. Bis zum Jahr 2010 ließen sich diese Probleme so weit verringern, dass das formale Qualifikationsverfahren beginnen konnte. Bezeichnung des Tests Zweck des Tests High Temperature Reverse Bias (HTRB): 480 V bei +150 °C für 1000 h elektrisches Feld / thermische Spannungen Highly Accelerated Stress Test (HAST): Korrosion 85% r. Luftf., 33 psi, +130 °C, 100 V, 96 h Temperaturwechsel: -55 °C bis +150 °C, 1000 Zyklen Fehlanpassung des Temperaturkoeffizienten Power Cycling: +25 °C bis +150 °C, 5000 Zyklen Wire-Bonding und Anschlüsse Lagerung bei hohen Temperaturen: +150 °C, 1000 h intermetallische Stabilität Tabelle 1: JEDEC-Qualifikationstests und deren Ziele Frühe Testergebnisse zeigten, dass die gehäusebezogenen Tests ähnliche Ergebnisses wie für die vorhandenen Siliziumtypen aufwiesen, und es wurde deutlich, dass der HTRB-Test (High-Temperature Reverse Bias) der am schwersten zu bestehende Test sein würde. Dies war zu erwarten, da das Hauptproblem bei den GaN-Bausteinen das sogenannte »Trapping« war – was zuvor von mehreren Gruppen berichtet wurde, die versucht hatten, derartige Bausteine zu entwickeln [1]. Ein erstes Anzeichen für Trapping war der sogenannte »Current Collaps« und das Ansteigen des dynamischen Einschaltwiderstands RDS(on). Dieses Problem konnte Transphorm im Jahr 2009 lösen. Wie sich während der Entwicklung der EZ-GaN-Produktfamilie herausstellte, identifizierten die zuvor genannten Tests die Schwachpunkte äußerst effektiv. Durch Änderung des Bausteindesigns ließen sich die jeweiligen Fehlerbilder beseitigen. Im Jahr 2012 bestanden Transphorms GaN-auf-SiliziumkarbidProdukte (GaN-on-SiC) diese grundlegenden Tests erfolgreich, worauf ein Jahr später die Qualifikation der GaN-on Si-Produkte mit 600 V Sperrspannung erfolgreich beendet wurde [2]. Literatur und Links [1] Howard Sin, Francois Perraud: »Echte Alternative zum MOSFET«; DESIGN&ELEKTRONIK 05/2014, S. 10ff.; www.elektroniknet.de/power/power-management/artikel/108717/ [2] Y.-F. Wu, J. Gritters, L. Shen, R.P. Smith, J. McKay, R. Barr and R. Birkhahn: »Performance and Robustness of First Generation 600-V GaN-on-Si Power Transistors«, Proceeding, 1st IEEE Workshop on Wide Bandgap Devices and Applications, S1-002, Ohio, 19.-27. Okt. 2013; ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.js p?reload=true&arnumber=6695551 [3] Michael A. Briere: »GaN-Bausteine wirtschaftlich fertigen«; DESIGN&ELEKTRONIK 05/2014, S. 17ff.; www.elektroniknet.de/power/powermanagement/artikel/108717/ [4] Special »Neue Materialien« auf elektroniknet.de: www.elektroniknet.de/specials/neuematerialien/ Das Extended-Life-Testprogramm begann mit Tests mit erhöhter elektrischer Feldstärke bei verschiedenen Spannungen, um zu bestimmen, wie sich die hohe elektrische Feldstärke auf das Bauteil auswirkt. Eine vorhergesagte Auswirkung war die höhere Aktivierungsenergie für GaN (Bild 2); so steigt die Lebensdauer bei ähnlichen Betriebstemperaturen, da Galliumnitrid bei diesen Temperaturen eine größere Marge aufweist. Der Spannungstest wurde ausgewählt, weil die Spannung ein kritischerer Parameter als die Temperatur ist und weil sich der Langzeittest mit erhöhter Feldstärke während der Entwicklungsphase der 600-V-Bausteine als der am schwersten zu bestehende Test erwiesen hatte. Dieser Test ist derzeit noch im Gange, wobei Ausfälle bei 1150 V und 1100 V erzeugt wurden, während der Test bei 1050 V noch andauert. Diese vorläufigen Testergebnisse können dazu verwendet werden, eine erwartete Lebensdauer vorherzusagen, allerdings wird ein dritter Daten- punkt benötigt, um die vorhergesagte Lebensdauer und die Validität des Tests zu bestätigen. Tests bei noch höheren Spannungen waren nicht möglich, da diese zusätzliche Fehlerbilder mit sich bringen würden, die beim vorgesehenen Betrieb der Bausteine mit 600 V nicht auftreten würden. Testergebnisse Parallel zu den Tests zur Bestimmung der Aktivierungsenergie für die 600-V-HEMT-Bausteine (High Electron Mobility Transistor) wurde mit den HTRB-Tests fortgefahren, bis entweder die Hälfte der Bausteine ausgefallen waren oder die Testdauer 10 000 Stunden erreicht hatte und die Nutzungsdauer bei erhöhten Temperaturen (High Temperature Operating Life, HTOL) ebenfalls für einen längeren Zeitraum überschritten war. Im März 2014 lagen für die weiter andauernden HTRB-, HTOL- sowie die Tests mit stark erhöhter Spannung und Temperatur die folgenden Ergebnisse vor: ■■ Der HTRB-Test dauert nun seit 8000 Stunden an und zeigt bisher ungefähr 2% Ausfälle an (Bild 3). ■■ Der HTOL-Test läuft inzwischen seit 3000 Stunden bei +175 °C und zeigt keine messbare Verschlechterung bei Leckströmen oder Einschaltwiderstand. Diese Ergebnisse sind äußerst signifikant, da derart hohe Stabilitäten selbst für gealterte Siliziumbausteine bemerkenswert sind. Sie zeigen zudem, dass die Entwurfsmetriken für die ersten Bausteine konservativ genug waren, um sämtliche Schwachstellen der neuen Bausteintechnologie überwinden zu können, und dass die Leistung jetzt dem ursprünglichen Ziel des Entwurfsteams entspricht. Laufende Arbeiten Die Ergebnisse der Spannungserhöhungstests eignen sich, um die der Lebensdauer der Produktfamilie vorherzusagen. Unter Verwendung des Modells des inversen Potenzgesetzes beträgt die vorhergesagte Lebensdauer über 100 000 000 Stunden (Bild 4). Dieses Ergebnis, das mit der vorhergesagten Lebensdauer der GaN-HEMTs für HF-Anwendungen konsistent ist, ist zudem eine gute Bestätigung dafür, dass die Belastungen der 600-V-GaNBausteine wie geplant überstanden werden und sich die Pufferschicht wie vorgesehen verhält. Die über die JEDEC-Qualifikationsstandards hinausgehenden erweiterten LeBild 2: Die höhere Aktivierungsenergie EA wirkt sich positiv auf die bensdauertests haben zu einem verbesserten generellen Lebensdauer aus 09 | 2014 23 Leistungshalbleiter Bild 3: Beim HTRB-Test (High-Temperature Reverse Bias) waren nach 8000 Stunden nur etwa 2% aller Bauteile ausgefallen Bild 4: Die vorhergesagte Lebensdauer liegt bei über 108 Stunden Verständnis hinsichtlich der Zuverlässigkeit von GaN-Leistungshalbleitern geführt. Aus den in diesem Artikel beschriebenen Tests werden bei zunehmender Kundenakzeptanz weiterhin Daten gewonnen. Zudem laufen zusätzliche Tests bei verschiedenen Temperaturen zur Bestimmung des Beschleuni gungsfaktors, darunter Tests oberhalb von +300 °C, um die Lebensdauer in Abhängigkeit von der Temperaturerhöhung vorhersagen zu können. Diese Tests eignen sich dazu, die empfohlene Betriebs temperatur für die GaN-Bausteine festzulegen, da sich dieses Material bekanntermaßen besser für hohe Temperaturen eignet als Silizium. Bei dieser Art von Anwendungen stellt jedoch das Gehäuse das wichtigste Problem dar, das es zu überwinden gilt. Darüber hinaus laufen weitere Tests bei hohen Strömen 24 09 | 2014 und verschiedenen Temperaturen. Damit lässt sich feststellen, ab welchem Punkt die Elektromigration zu einem Problem wird. (rh) Transphorm Telefon: 001/805/45 61 30 0 www.transphormusa.com Carl Blake ist Senior Advisor Marketing, Dr. Kurt V. Smith ist Reliability Manager, Dr. Yifeng Wu ist Senior VP Engineering, alle bei Transphorm