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GaN-Leistungshalbleiter GaN-Zuverlässigkeit über AEC-Standard hinaus bestätigt

Von Alex Lidow *

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Heitec AG
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
MEV Elektronik Service GmbH

Das Verhalten von eGaN-FETs (GaN auf Silizium) ist dem Einsatz moderner Power-MOSFETs in Silizium sehr ähnlich. Phase 12 des Zuverlässigkeitsbericht ergänzt die bisherige Wissensbasis zu eGaN.

Bild 1: Langzeitstabilität der Impulsbreite (unten rechts) und der Impulshöhe (oben rechts) über 4,2 Billionen Lidar-Impulse. Daten für vier EPC2202- (rot) und vier EPC2212-Bausteine (blau) wurden überlagert. Es ergibt sich eine hervorragende Stabilität dieser Parameter über der Gesamtzahl der Impulse, die einer typischen Lebensdauer eines Fahrzeugs entsprechen.(Bild: EPC)
Bild 1: Langzeitstabilität der Impulsbreite (unten rechts) und der Impulshöhe (oben rechts) über 4,2 Billionen Lidar-Impulse. Daten für vier EPC2202- (rot) und vier EPC2212-Bausteine (blau) wurden überlagert. Es ergibt sich eine hervorragende Stabilität dieser Parameter über der Gesamtzahl der Impulse, die einer typischen Lebensdauer eines Fahrzeugs entsprechen.
(Bild: EPC)

Seit nunmehr zehn Jahren werden Galliumnitrid-basierte Leistunghalbleiter (GaN) in Serie gefertigt und erzielen in der Anwendung eine bemerkenswerte Zuverlässigkeit. Als Automotive-Komponente gibt es für GaN eine Anwendung im Kraftfahrzeug mit hohen Stückzahlen: Light Detection and Ranging (kurz Lidar) für autonome Fahrzeuge. Diese Technik liefert Informationen über die Umgebung eines Fahrzeugs und erfordert daher eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit, um Sicherheit und Leistungsfähigkeit zu gewährleisten. Im vorliegenden Artikel wird ein neuartiger Testmechanismus des Halbleiterherstellers von Efficient Power Conversion (EPC) beschrieben, mit dem die eGaN-Bausteine (e steht für enhanced) über die Qualifikationsanforderungen des Automotive Electronics Council (AEC) hinaus für den Anwendungsfall Lidar zu testen.

Phase 12 Reliability Report: Testergebnisse bis zum Ausfall der Bauteile

Die eGaN-Bauelemente von EPC erreichen eine Lebensdauer und Robustheit, die laut Hersteller über der von Silizium-Leistungshalbleitern liegt. Der EPC-Distributor Finepower macht dazu auf den jüngsten Phase-12-Zuverlässigkeitsbericht aufmerksam, der die Erfahrungen aus 226 Milliarden Betriebsstunden von eGaN-Komponenten im Feldeinsatz zusammenfasst und die als Grundlage für die Lebensdauerprognose anhand physikalischer Modelle dient. Der neue Bericht ergänzt nun die umfangreiche Wissensbasis der ersten elf Reports und beschreibt im Detail, wie mithilfe einer Test-to-Fail-Methodik intrinsische Ausfallmechanismen aufgespürt und zur Entwicklung physikalischer Modelle verwendet werden können – mit dem Ziel, die sichere Betriebslebensdauer der Produkte präzise vorherzusagen.

Der Phase-12-Zuverlässigkeitsbericht enthält die Testergebnisse von eGaN-Bauelementen bis zu ihrem Ausfall. Anhand dieser Informationen lassen sich serienmäßige Ausfallmechanismen der Bausteine identifizieren und umfangreiche Kenntnisse über ihr Verhalten über der Zeit, Temperatur sowie elektrischen oder mechanischen Beanspruchung ableiten. Auf dieser Basis lassen sich physikalische Modelle erstellen, die die sichere Lebensdauer der Leistungshalbleiter über einen allgemeineren Satz von Betriebsparametern genau wiedergeben.

Der Phase-12-Bericht ist in neun Abschnitte unterteilt, die sich mit verschiedenen Ausfallmechanismen befassen:

  • Abschnitt 1: Serienausfallmechanismen, die die Gate-Elektrode von eGaN-Bauelementen betreffen.
  • Abschnitt 2: serienmäßige Ausfallmechanismen, die dem dynamischen RDS(on) zugrunde liegen.
  • Abschnitt 3: sicherer Arbeitsbereich (Safe-Operating Area, SOA).
  • Abschnitt 4: Prüfen von Bauelementen bis zur Zerstörung (unter Kurzschlussbedingungen).
  • Abschnitt 5: kundenspezifischer Test zur Bewertung der Zuverlässigkeit über Langzeit-Lidar-Pulsbelastung.
  • Abschnitt 6: Prüfung der mechanischen Belastbarkeit.
  • Abschnitt 7: Lötbarkeit der Bauteile.
  • Abschnitt 8: thermomechanische Belastung.
  • Abschnitt 9: Zuverlässigkeit im Feld.

„Die Veröffentlichung des zwölften Zuverlässigkeitsberichts repräsentiert das gesammelte Wissen über Millionen von Bauelementen und fünf Technologiegenerationen“, sagt Alex Lidow. Diese Zuverlässigkeitstests dienten dem besseren Verständnis des Verhaltens von GaN-Bauelementen unter einer Vielzahl von Belastungsbedingungen. Lidow: „Standard-Qualifikationstests für Leistungshalbleiter sind unzureichend, da nur Bauteile zugelassen werden, die eine ganz bestimmte Testbedingung bestehen. Durch unsere Test-to-Fail-Methode können wir durchgehend robustere, leistungsfähigere und kostengünstigere Produkte für die Leistungswandlung anbieten. Damit erzielen wir eine Zuverlässigkeit, die über das hinausgeht, was mit herkömmlichen Silizium-MOSFETs erreichbar ist.“ Finepower erklärt in Webinaren die Fortschritte bei der Modellierung, Vorhersage und Messung der Zuverlässigkeit von GaN-Bauelementen, die zu den wichtigsten Ergebnissen des Phase-12 Reliability Report beitragen.

GaN-Leistungshalbleiter für Lidar-Anwendungen

Die eGaN-FETs und eGaN-ICs von EPC sind in Lidar-Schaltkreisen für autonome Fahrzeuge inzwischen weit verbreitet und bieten dort Vorteile wie schnelleres Schalten für kürzere Impulse und bessere Reichweitenauflösung sowie reduzierter Platzbedarf für eine hohe Leistungsdichte bei geringer Induktivität. Damit erzielen diese kompakte Lösungen eine höhere Effizienz bei zugleich höheren Pulswiederholraten.

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In einer Lidar-Anwendung liefert das GaN-Bauelement kurze Hochstromimpulse im Bereich von 1 bis 5 ns, die eine Laserdiode ansteuern, um schmale optische Pulse zu erzeugen. Die Spitzenströme sind generell wesentlich höher als 50% des FET-Pulsstroms. Der Impuls-Tastgrad ist dabei niedrig und die Pulswiederholungsfrequenz liegt im Bereich von 10 bis 100 kHz. Wird der GaN-Baustein nicht gepulst, befindet er sich im AUS-Zustand und ist einer bestimmten Drain-Vorspannung ausgesetzt.

Dieser Belastungszustand ist für ein Leistungselektronik-Bauelement ungewöhnlich, was es schwierig macht, die Betriebslebensdauer über herkömmliche DC-Zuverlässigkeitstests wie HTGB oder HTRB vorherzusagen. Selbst GaN-spezifische Tests, wie die von EPC verwendeten Zuverlässigkeitstests für hartes Schalten, emulieren die Belastungen in einem Lidar-Schaltkreis nicht effektiv.

Langzeitstabilität unter Hochstromimpulsen

Aus der Sicht des Bauteilversagens sorgen der hohe Strom und die hohe Spannung während eines Pulses für Bedenken hinsichtlich Hot-Carrier-Effekte, die zu einer UTH- oder RDS(on)-Verschiebung innerhalb des Bausteins führen können. Darüber hinaus erhöht der kumulative Effekt sich wiederholender Hochstromimpulse die Gefahr der Elektromigration, was zu einer Verschlechterung der Lötverbindungen führt.

Um diese Bedenken bei Lidar-Anwendungen auszuräumen, hat EPC zusammen mit wichtigen Kunden eine neue Testmethode eingeführt. Dieser Lidar-Zuverlässigkeitstest ist Teil der Beyond-AEC-Initiative von EPC, einer Reihe von GaN-spezifischen Belastungstests, die über die herkömmlichen Zuverlässigkeitstests hinausgehen, wie sie für MOSFETs als Teil des AEC-Q101-Standards entwickelt wurden.

Das Konzept dieser Testmethode sieht vor, Bereiche in einem Lidar-Schaltkreis mit einer Gesamtzahl von Impulsen zu belasten, die ihrem letztendlichen Einsatzprofil entsprechen. Die Einsatzprofile für Lidar in Fahrzeugen variieren von Kunde zu Kunde. Ein solches Profil würde z.B. eine Lebensdauer von 15 Jahren mit zwei Betriebsstunden pro Tag bei einer Pulswiederholungsfrequenz (PRF; Pulse Repetition Frequency) von 100 kHz erfordern. Dies entspricht etwa vier Billionen Lidar-Impulsen insgesamt. Einige Worst-Case-Szenarien erfordern möglicherweise 10 bis 12 Billionen Impulse während der Lebensdauer.

Die Testmethodik und die Ergebnisse

Diese Testmethode demonstriert die Lebensdauer von eGaN-Bausteinen in einer Lidar-Anwendung, indem eine Vielzahl von Bausteinen weit über das Ende ihres vollständigen Anwendungsprofils hinaus getestet sowie eine stabile Systemleistungsfähigkeit und die Bauteileigenschaften überprüft werden. Mit einem solchen direkten Ansatz erübrigt sich dann ein Beschleunigungsfaktor oder eine Aktivierungsenergie zweifelhafter Herkunft.

Es entfällt auch die Notwendigkeit, Lebensdauerschätzungen von Standard-Zuverlässigkeitstests auf die jeweiligen Belastungsbedingungen von Lidar hochzurechnen. Um die große Anzahl von Impulsen zu erreichen, werden die Bauteile kontinuierlich mit einer PRF (Pulse Repetition Frequency) belastet, die viel höher ist als in typischen Lidar-Schaltkreisen. Die Testschaltung basiert auf dem Lidar-Applikations-Board EPC9126 von EPC. Experimentelle Details der Testverfahren sind im Anhang B des Phase 11 Reliability Report von EPC enthalten.

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Für diese Studie wurden zwei bewährte AEC-konforme Bauteile getestet: EPC2202 (80 V) und EPC2212 (100 V). Von jedem Typ hat der Test vier Bauteile gleichzeitig untersucht. Während der Belastung wurden an jedem Bauelement kontinuierlich zwei wesentliche Parameter überwacht: der Spitzenimpulsstrom und die Impulsbreite. Diese beiden Parameter sind für die Reichweite und Auflösung eines Lidar-Systems entscheidend.

Bild 1 zeigt die Ergebnisse dieses Tests über die ersten 4,2 Billionen Impulse. Weder bei der Impulsbreite noch bei der Pulshöhe ist eine Verschlechterung oder Drift zu beobachten. Die kumulierte Anzahl von Impulsen entspricht einer typischen Fahrzeuglebensdauer. Dies ist zwar eine indirekte Überwachung des Zustands des eGaN-Bauelements, sie zeigt jedoch, dass keine Verschlechterung der Schaltungsleistung aufgetreten ist.

Um einen besseren Einblick in die parametrische Stabilität des eGaN-Bausteins über den Verlauf der Zeit zu erhalten, unterbricht das Testsystem alle sechs Stunden die Lidar-Belastung, um den RDS(on) und die Schwellenspannung UTH des Bausteins zu messen. Nach dieser kurzen parametrischen Messung werden die Bauteile umgehend wieder in den Lidar-Belastungsmodus versetzt. Die Ergebnisse sind in Bild 2 dargestellt. Beide Parameter zeigen eine hervorragende Stabilität über der Testdauer, was darauf hindeutet, dass die Lidar-Belastung für eGaN-Bausteine relativ harmlos ist.

Fazit: Kurze Hochstrom-Impulstests von eGaN-Bauelementen belegen, dass die Halbleiter in einer Lidar-Anwendung über den typischen Lebensdauerverlauf von Fahrzeugen sehr zuverlässig sind. Seit der Veröffentlichung des „Phase 11 Reliability Report“ von EPC im März 2020 wurden keine Fehlermodi oder parametrischen Verschlechterungen beobachtet. GaN-basierte Bauelemente, die bereits in Lidar-Anwendungen in Serie sind, bieten die Genauigkeit und Robustheit, die erforderlich sind, um die für das autonome Fahren erforderliche Leistungsfähigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Jetzt wurde die „Phase 12 Reliability Report“ veröffentlicht. Details dazu kommentiert Distributor Finepower im Kastentext.

Referenzen:

[1] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 3rd Edition, J. Wiley 2020.

[2] Efficient Power Conversion, Corporation, “EPC eGaN® FETs Reliability Testing: Phase 11,” 2020. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/product-training/Reliability%20Report%20Phase%2011.pdf

[3] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC9126/EPC9126HC Lidar Demo Boards,” EPC9126/EPC9126HC Quick Start Guide. Revision 3.0. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/guides/EPC9126xx_qsg.pdf

[4] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC2202 – Automotive 80 V (D-S) Enhancement Mode Power Transistor,” EPC2202 data sheet. 2019 [Revised August 2019]. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/epc2202_datasheet.pdf

[5] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC2212 – Automotive 100 V (D-S) Enhancement Mode Power Transistor,” EPC2212 data sheet. 2019 [Revised August 2019]. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/epc2212_datasheet.pdf

* * Alex Lidow ... ist CEO und Mitbegründer der Efficient Power Conversion (EPC) in El Segundo, Kalifornien.

Artikelfiles und Artikellinks

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