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Anpassen der Standard- Qualifikationsmethodik

Die Standards von JEDEC und AEC basieren auf soliden Grundlagen, hinken aber der Einführung neuer Technologien hinterher. Das Bestehen der Qualifikation für Silizium ist fraglos ein achtbarer Meilenstein. Der Kunde aber benötigt ein Produkt, das die gewünschte Lebensdauer von beispielsweise 10 Jahren unter praktischen Einsatzbedingungen mit geringer Ausfallrate erreicht. Unternehmen, die neue Technologien wie etwa FRAM, skalierte CMOS-Schaltungen, GaN usw. einführen, müssen deshalb die Grundlagen verstehen, aus denen die besagten Standards hervorgegangen sind.

In der JEDEC-Qualifikationsmethodik ist die Temperatur der wichtigste Beschleunigungsfaktor. Der Beschleunigungsfaktor (Acceleration Factor; AF) wird nach einer Gleichung berechnet, in der EA die Aktivierungsenergie ist, während es sich bei k um die Boltzmann-Konstante handelt:

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AF = exponent E_A/k • (1/T_use–1/T_stress).

Setzt man in die Gleichung eine Belastungstemperatur von Tj = 125 °C, eine Einsatztemperatur von 55 °C und eine Aktivierungsenergie von etwa 0,7 eV ein, dann erhält man einen Beschleunigungsfaktor von 78,6. Aus diesem Grund entspricht ein 1000-stündiger Stresstest bei Tj = 125 °C ungefähr einer Nutzungsdauer von 10 Jahren bei Tj = 55 °C. In der Literatur werden für GaN-Aktivierungsenergien von 1,05 eV bis 2,5 eV genannt.

Dieser große Wertebereich ist ein Indiz für die große Vielfalt der Bauelemente, Prozesse und Materialien, die in den verschiedenen Laboratorien und Fabriken auf der ganzen Welt zum Einsatz kommen. Dieser Bereich kann zu einer großen Schwankungsbreite der Beschleunigungsfaktoren führen, von beispielsweise 687 bei EA = 1,05 eV bis zu mehr als 5 Millionen bei EA = 2,5 eV. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Aktivierungsenergie für einen Prozess und eine Bausteinarchitektur zu bestimmen, die repräsentativ für das finale Produkt sind.

Wichtig ist es ferner, die im tatsächlichen Einsatz herrschende Sperrschichttemperatur zu berücksichtigen. Wegen seiner großen Bandlücke kann GaN bei höheren Temperaturen betrieben werden als Silizium – ein wichtiges Kriterium für Leistungselektronik-Produkte.

Bei der Qualifikation von Bauelementen gilt es mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Eine Tabelle im Online-Artikel 43883721 vergleicht einen standardmäßigen, 1000-stündigen Qualifikationstest bei 125 °C für Silizium mit verschiedenen anderen Szenarien. Es zeigt sich, dass sich bei einer gewünschten Sperrschichttemperatur von 105 °C die nicht beschleunigte Zeit für die angenommene Aktivierungsenergie von 0,7 eV von etwa neun Jahren auf 0,3 Jahre verringert.

Diese Zeit lässt sich auf 1,1 Jahre verlängern, wenn man die Stresstemperatur auf einen Wert von 150 °C, also die praktische Grenztemperatur von Standardgehäusen, anhebt. In diesem Fall erfüllt der Stresstest nicht die feldäquivalente Lebensdauer und die maximale FIT-Rate von etwa 50 FITs. Dennoch liefert er einen Gradmesser für die Qualität und Zuverlässigkeit.

Ein 1000-stündiger Stresstest, der einer Nutzungsdauer von 10 Jahren entspricht, erfordert einen Beschleunigungsfaktor von 87,6 und wird für eine Aktivierungsenergie von 1,37 eV erzielt. Eine niedrigere Aktivierungsenergie (beispielsweise der untere Wert von 1,05 eV) erfordert entweder eine Spannungsbeschleunigung um den Faktor 2,84 oder eine Heraufsetzung der Testdauer von etwa sechs auf siebzehn Wochen.

Eine übermäßige Spannungsbeschleunigung kann allerdings nicht-repräsentative Ausfallmöglichkeiten heraufbeschwören, während die längere Testdauer den Entwicklungs-Zyklus des neuen Produkts verlängert. Je nach den Ausfallarten und der mit dem betreffenden Gehäuse verfügbaren Beschleunigung sind möglicherweise keine Qualifikationsprüfungen möglich, die die erforderliche feldäquivalente Lebensdauer wiedergeben.

Die Lebensdauer-Vorgabe kann durch Zuverlässigkeitstests auf der Wafer-Ebene sichergestellt werden und lässt sich validieren, indem gekapselte Bauelemente einem länger andauernden Stresstest unterzogen werden.

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