第三代寬能隙半導體( Wide Bandgap Semiconductors; 簡稱WBG Component),為碳化矽( Silicon carbide; 簡稱SiC)和氮化鎵( Gallium nitride; 簡稱GaN)。 Wide Bandgap以高功率和高頻率特性為主要發展,如:SiC主要應用於電動車、智慧電網、軌道運輸等場域,而GaN則以消費電子產品起步,並進一步擴大應用於汽車、電信、5G射頻設備、軍用雷達、光達Lidar等。

然而,影響高功率和高頻率產品在應用領域壽命其一關鍵為「熱管理」,德凱宜特認為目前有3種關鍵因素和「熱管理」息息相關,分別為熱阻( Thermal resistance; 簡稱Rth或Tr)間歇性壽命測試( Intermittent Operating Life Test; 簡稱IOL)安全工作區( Safe operating area; 簡稱SOA)

 熱阻( Thermal resistance; 簡稱Rth或Tr) 
由於Wide Bandgap 功率較大,因此Rth在執行可靠度驗證前,實要扮演重要的角色「熱分析」;藉由Rth測試結果,可觀察出產品中每個結構層之熱阻變化和晶片溫度變化,於可靠度實驗前篩選合適之測試條件和環境,並於實驗後確認結構層之差異。

下圖為Rth Structure Function,由於產品以不同材料組成並會因量測手法不同而造成結果上的差異,德凱宜特以多次量測結果進行比對後,放大觀察曲線堆疊,可進一步確認產品結構層是否異常。
 
Figure 1: Rth Structure Function
Reference: DEKRA iST

 間歇性壽命測試( Intermittent Operating Life Test; 簡稱IOL) 
Wide Bandgap具備高功率和高頻率等特性,在車用領域上有眾多應用。目前IOL測試以AEC-Q101和LV324( AQG324 )兩規範為主,前著適用於離散元件(component level),後者適用於功率模組(module level)。IOL測試屬於一種動態可靠度測試手法,主要以晶片溫度為基準,以模擬產品開/關(功率循環)時,產生的高溫/低溫變化(溫度循環),來驗證產品在特定條件下之可靠度壽命和異常發生的時間點。
 
Figure 2: IOL testing profile
Reference: DEKRA iST

 安全工作區( Safe operating area; 簡稱SOA) 
安全工作區(Safe Operating Area,SOA)是指功率半導體元件,例如雙極性電晶體、場效電晶體、閘流體以及絕緣閘雙極電晶體,能正常工作而不會造成損壞時的電壓電流等條件範圍。使用者透過SOA確認產品於額定電壓/電流、受限於發熱下之安全使用範圍,避免超過SOA範圍的條件而造成產品異常。

SOA組成有五項要素,分別為Tj max、Rds on、Vds max、Ids max和Rthj-c。德凱宜特使用電性參數搭配熱阻數值計算出具參考價值之SOA,不僅可以大幅縮短時間,更能減少對受測產品造成的破壞與損失,同時降低時間與費用成本,進而縮短開發時程達到TTM(Time to market)的效果,提升產品在市場上的競爭優勢。下圖為德凱宜特實際執行的SOA案例結果。
Figure 3: SOA Sample
Reference: DEKRA iST

 

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