GaN是否具有可靠性？或者說我們能否如此提問？

鑒于氮化鎵 (GaN) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 能夠提高效率并縮小電源尺寸，其采用率正在迅速提高。但在投資這項(xiàng)技術(shù)之前，您可能仍然會(huì)好奇GaN是否具有可靠性。令我驚訝的是，沒有人詢問硅是否具有可靠性。畢竟仍然有新的硅產(chǎn)品不斷問世，電源設(shè)計(jì)人員對(duì)硅功率器件的可靠性也很關(guān)心。

事實(shí)上，GaN行業(yè)已經(jīng)在可靠性方面投入了大量精力和時(shí)間。

而人們對(duì)于硅可靠性方面的問題措辭則不同，比如“這是否通過了鑒定？”盡管GaN器件也通過了硅鑒定，但電源制造商仍不相信采用硅方法可以確保GaN FET的可靠性。這是一個(gè)合理的觀點(diǎn)，因?yàn)椴⒎撬械墓杵骷y(cè)試都適用于GaN，而且傳統(tǒng)的硅鑒定本身不包括針對(duì)電源使用的實(shí)際開關(guān)條件的應(yīng)力測(cè)試。JEDEC JC-70寬帶隙電力電子轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體委員會(huì)發(fā)布了若干特定于GaN的指南，以解決此類不足之處。

了解 GaN 產(chǎn)品的可靠性

如何驗(yàn)證 GaN 的可靠性？

可通過既定的硅方法并結(jié)合可靠性程序和測(cè)試方法對(duì)GaN FET的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。這些可靠性程序和測(cè)試方法旨在解決特定于GaN的故障模式，例如動(dòng)態(tài)漏源導(dǎo)通電阻 (R_DS(ON)) 的增加。圖1列出了實(shí)現(xiàn)GaN產(chǎn)品可靠性的步驟。

圖 1 ：特定于GaN的可靠性指南與既定的硅標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合

我們將測(cè)試分為元件級(jí)和電源級(jí)模塊，每個(gè)模塊都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和指南。在元件級(jí)別，TI根據(jù)傳統(tǒng)的硅標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行偏置、溫度和濕度應(yīng)力測(cè)試，使用特定于GaN的測(cè)試方法，并通過施加加速應(yīng)力直至器件失效的方式來確定壽命。在電源層面，在相關(guān)應(yīng)用的嚴(yán)格運(yùn)行條件下運(yùn)行器件。TI還驗(yàn)證了器件在偶發(fā)事件中的極端運(yùn)行條件下的穩(wěn)健性。

GaN FET在應(yīng)用中的可靠性

JEDEC JEP180指南提供了一種通用方法來確保GaN產(chǎn)品在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的可靠性。為了滿足 JEP180 的要求，GaN制造商必須證明其產(chǎn)品在相關(guān)應(yīng)力下具有所需的開關(guān)壽命，并在電源的嚴(yán)格運(yùn)行條件下以可靠的方式運(yùn)行。前一個(gè)演示使用開關(guān)加速壽命測(cè)試 (SALT) 對(duì)器件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，而后者則使用動(dòng)態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL) 測(cè)試。

器件在實(shí)際中也會(huì)受到極端運(yùn)行條件的影響，如發(fā)生短路和電源線路浪涌等事件。LMG3522R030-Q1等TI GaN產(chǎn)品具有內(nèi)置短路保護(hù)功能。要實(shí)現(xiàn)一系列應(yīng)用中的浪涌穩(wěn)健性，需要同時(shí)考慮硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)力。GaN FET處理電源線路浪涌的方式與硅 FET不同。由于其過壓能力，GaN FET不會(huì)進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)，而是通過浪涌沖擊進(jìn)行開關(guān)。具備過壓能力還可以提高系統(tǒng)可靠性，因?yàn)檠┍繤ET無法吸收大量雪崩能量，因此保護(hù)電路必須吸收大部分浪涌。隨著老化，浪涌吸收元件性能下降，會(huì)使硅FET遭受更高水平的雪崩，可能會(huì)導(dǎo)致故障。與此相反，GaN FET將繼續(xù)開關(guān)。

TI的GaN產(chǎn)品是否具有可靠性？

TI根據(jù)圖1所示的方法對(duì)其GaN產(chǎn)品進(jìn)行鑒定。圖2總結(jié)了結(jié)果，展示了來自元件級(jí)和電源級(jí)模塊的結(jié)果。

圖 2 ：使用圖1所示的方法，通過特定于GaN的指南對(duì)GaN FET的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證

在元件級(jí)別，TI GaN通過了傳統(tǒng)的硅鑒定，并針對(duì)特定于GaN的故障機(jī)制具有高可靠性。TI設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了其GaN產(chǎn)品針對(duì)時(shí)間依賴型擊穿 (TDB)、電荷捕獲和熱電子損耗故障機(jī)制具備高可靠性，并證明在老化過程中，動(dòng)態(tài)R_DS(ON)可保持穩(wěn)定。

為了確定元件開關(guān)壽命，我們的SALT驗(yàn)證應(yīng)用了加速硬開關(guān)應(yīng)力，如“確定GaN FET開關(guān)壽命的通用方法”中所述TI模型使用開關(guān)波形直接計(jì)算開關(guān)壽命，并表明TI的GaN FET在整個(gè)產(chǎn)品壽命期間不會(huì)因硬開關(guān)應(yīng)力而失效。

 為了驗(yàn)證電源級(jí)別的可靠性，我們?cè)趪?yán)格的電源使用條件下對(duì)64個(gè)TI GaN器件進(jìn)行了DHTOL測(cè)試。此類器件顯示出穩(wěn)定的效率，沒有硬故障，顯示了對(duì)所有電源運(yùn)行模式的可靠運(yùn)行能力：硬和軟開關(guān)、第三象限操作、硬換向（反向恢復(fù)）、高壓擺率的米勒擊穿，以及與驅(qū)動(dòng)器和其他系統(tǒng)元件的可靠交互。TI還通過在硬開關(guān)和軟開關(guān)操作下對(duì)電源中運(yùn)行的器件施加浪涌沖擊來驗(yàn)證浪涌穩(wěn)健性，并表明TI的GaN FET可以有效地通過高達(dá)720V的總線電壓浪涌進(jìn)行開關(guān)，從而提供了顯著裕度。如需了解有關(guān)該測(cè)試的更多信息，請(qǐng)參閱“一種在使用條件下驗(yàn)證GaN FET在電源線路浪涌中可靠性的新方法”。

結(jié)語

GaN行業(yè)已經(jīng)建立了一套方法來確保GaN產(chǎn)品的可靠性，因此問題不是“GaN是否具有可靠性？”，而是“如何驗(yàn)證GaN的可靠性”。TI GaN器件在元件級(jí)和實(shí)際應(yīng)用中均具有可靠性，GaN器件已經(jīng)通過了硅鑒定標(biāo)準(zhǔn)和GaN行業(yè)指南。特別是TI的GaN產(chǎn)品通過了JEP180，證明其在電源使用方面具有可靠性。