全球能源危机下,如何提升能源效率是全世界关注的议题,因此宽能隙(WBG, Wide-Band-Gate)元件发展受到相当的重视,也就耳熟能详的「化合物半导体」或「第三代半导体」。宽能隙元件应用目的包括提升太阳能与风力发电效率、缩短电动车充电时间,以及提升资料库大数据用电效率。于此同时,为确保品质与安全性,功率元件可靠度的测试成为关键要素,不只需要同步进行,更要针对每个项目设计适合的测试方法。

新世代功率半导体在电动车的应用特性与趋势
近年汽车功率元件发展趋势,碳化矽(SiC)氮化镓(GaN)等新世代功率半导体市场预计将以每年近20%的速度增长,应用包括车载充电器、快速充电桩与无线充电系统等。其中碳化矽(SiC)具备优越的低阻抗、高速动作、高温动作等,以此为原料制造的功率元件在工作温度、电压、频率、功率范围及能量消耗等特性上都具有相当优势。

针对产品选择合适且符合经济效益的国际规范
因应电动车产业蓬勃发展,车用规范的更新较过去快速许多,因此在产品的设计上,可靠度验证也需要持续跟进。针对车用零组件,最常见的两项国际规范分别是AEC-Q101与AQG 324。
 
  •  AEC-Q101 
AEC-Q101是由汽车电子协会(Automotive Electronics Council,简称AEC)所订定,针对离散半导体元件的应力测试标准与测试方法。规范中建议车用元件,应依据此规范的测试方法来确保元件未来在使用环境上,能有一定水准的品质及可靠度;而因为需要建立一定的信心指数,要求验证多批(lot)且庞大的待测物数量,对应成本也较高。
Figure 1: AEC-Q101 Rev.E test item
Reference: DEKRA iST

 
  •  AQG 324 
AQG 324则是由德国汽车原始设备制造商和ECPE联合工作组以及德国ZVEI协会共同开发。针对车辆中的电力电子转换器单元(PCU)功率模块的资格认证。相较于前项规范,针对模组功率元件的测试,AQG 324的待测物数量要求较少,也较符合经济效益。
Figure 2: AQG 324 test item
Reference: DEKRA iST

产品可靠度观点的三个关键验证项目
依据深厚验证经验,德凯宜特提出车用高功率元件不可忽略的三个关键项目分别为RTHIOLSOA
 
  •  RTH(热阻)测试的特点与应用 
热阻(Thermal resistance,简称RTH)是热传计算与产品开发的重要参数,指单位时间内两点之间温度差与热传量的关系。目前宽能隙元件发展快速,然而许多重要的可靠度测试都需要先了解在不同实验设计下的热阻表现,才能有效控制T-junction并达到实验的目的。
Figure 3: RTH(Thermal resistance)Test Process
Reference: DEKRA iST

 
  •  IOL(间歇性操作寿命)测试的特点与应用 
间歇性操作寿命测试(Intermittent Operating Life,简称IOL)是一种动态可靠度测试,利用升温与降温的循环模拟开关次数。由于目的为推估出产品最终寿命,依据AQG 324规范IOL(亦同Power cycling)测试皆为测试至异常为止(Test to Fail)。因此受测后的产品必然会老化而产生品质变异,尤其热阻及接面温度(T-junction)皆会产生变化。

以IGBT结构层为例,功率元件各层接触面和剧烈的温度变化处是热应力破坏最显著的位置。在结合层最常见的问题则是剥离现象(Peeling),以往需要透过切片等破坏性分析才能检测出,然而透过IOL测试系统,在待测产品高低温变化的同时即时监控相关数据,包括Rth、Tj 、Vds、Ids与Igss。当产品数值开始有异常变化时,可提早分析结构层的脆弱区域,进而避免因产品烧毁后无法分析之窘境。另外,在连接线的部分也容易因多次Ids on-off切换,会造成老化甚至有欲脱离的现象。因此利用IOL测试即可分析出产品在使用多久次数开关后会产生失效的现象,并预估产品寿命。
Figure 4: Vulnerable Areas of Power Components
Reference: DEKRA iST

 
  •  SOA(安全工作区域)测试的特点与应用 
安全工作区(Safe Operating Area, 简称SOA)是指功率半导体元件(例如双极性电晶体、场效电晶体、闸流体以及绝缘闸双极电晶体)能正常工作而不会造成损坏时的电压电流等条件的范围。 SOA一般可藉由实际量测和计算得出,但是执行破坏性量测不仅需要耗费大量时间,并可能会在量测途中损失大量产品,导致成本升高。德凯宜特运用深厚验证经验,使用电性参数搭配热阻数值计算出具参考价值之SOA,不仅可以大幅缩短时间,更能减少对受测产品造成的破坏与损失,同时降低时间与费用成本,进而缩短TTM(Time to market)以提升产品在市场上的竞争优势。
Figure 5: SOA(Safe Operating Area)Test Process
Reference: DEKRA iST

除此之外,德凯宜特也提供完整的一站式验证服务,包括特殊高压板设计功率元件参数量测 HTRBHTGBH3TRB,以及TST等各种车用相关可靠度测试项目。

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