近年來WBG(Wide Band Gap)寬能隙半導體被應用於電池能源、車電系統等領域，由於具備了良好的耐高壓、高溫、低損耗及高功率的特性，不但可以快速提升元件技術，還能順應全球積極推動的節能減碳潮流，而如何在快速的技術變革中掌握最新的趨勢，則是未來發展技術時所必須考量的關鍵重點。

7月5日DEKRA iST德凱宜特受邀參加DIGITIMES所舉辦的「電源技術論壇-高效電源轉換設計」，零組件工程部資深經理陳冠瑋(Max Chen)與現場業界先進分享「寬能隙功率元件於動態可靠度測試及動態量測技術探討」，以當前國際間參考的汽車應用三大規範的發展與改版趨勢為軸，逐步解析功率元件在靜態與動態可靠度測試技術的差異及比對的重要性，並與來賓分享量測技術平台的價值。


目前汽車產業中由於電動車所使用的功率元件數量是傳統燃油車的7~10倍，因此不論是在元件的效能、可靠度的要求、甚至是行駛安全的標準，都是車廠目前非常關切的，陳冠瑋資深經理開場簡述當日分享的主題：

1.車用規範之於WBG未來進程，2.WBG動態可靠度及實際案例分享，3.WBG動態量測及熱阻應用；並介紹三個國際間常參考使用的車用規範：

  • AEC Q-series：AEC Q101是分立半導體元件的應力測試標準，其所要求的是經過所有測試後的元件必須達到零失效(Zero Defect)的結果，許多車廠均會要求車用分立半導體元件必須通過AEC Q101標準的驗證，符合行駛安全的基本要求。因為是基本要求，所以也隱藏著更多實際應用時發生的問題,目前在Q101的測試中也將定義更細節專用的測試條件及內容，例如: HTGB、HTRB的測試，若能達到即時(real-time)監控漏電狀況，將更深入了解產品在過程中發生的問題，且更有效率降低研發時程。
  • AQG 324：主要針對車輛中的電力電子轉換器單元功率模組的資格認證，由於這項標準貼近實際的使用狀況，因此目前大部分電動車製造商更為關注功率模組是否符合此標準，簡單來說車廠已經把AQG 324 視為廠規來定義。

  • ISO 16750：針對道路車輛、電氣和電子週邊產品等實際的環境條件提供的指導標準，其中2023年7月改版時在電氣環境的部分將電壓頻率由原燃油車規格20kHz提升到200kHz，將WBG寬能隙半導體的特性納入考量的範疇，可見已開始考量到電動車產業的特性。

陳冠瑋資深經理提及，DEKRA iST德凱宜特今年四月前往美國底特律參加2024 AEC Workshop，議程中提及由於WBG的使用方式與矽(Silicon)不同，需要不同的應力條件；但目前AEC-Q101中的測試要求，並未充分涵蓋WBG寬能隙半導體，因此AEC將擴展/修改Q101或建立新的獨立文件。陳冠瑋資深經理彙整議程中關於WBG寬能隙半導體重要的六個可能會改版的要點：HAST/H³TRB、IOL/PTC、TC、GSS、BDOL、HV H³TRB。其中，AEC特別定義裸晶需要進行的測試，例如IOL及TC測試，在進行TC測試前必需要先跟裸晶供應商確認封裝方式； AEC也定義出HV H³TRB的內容，並且取消AEC-Q101中測試電壓最大100V的限制，因此未來實驗室在高溫高濕條件下能夠使用更高的電壓進行測試。

陳冠瑋資深經理向現場來賓概略介紹BDOL、IOL、PCT三種測試方法：
  • BDOL(body diode operating life)：屬於早期壽命失效測試，大多故障都發生在100小時以內，因此可以使用ELFR進行篩選。執行BDOL測試時需要達到輸出20A甚至更高的電流要求，以至於無法使用風冷降溫方式控溫，此時可使用水冷系統方式進行控溫,以達到符合元件操作溫度下的測試。
  • IOL(Intermittent Operating Life)間歇性操作壽命測試：利用元件自發熱進行高低溫循環去執行長時間on/off切換開關的測試，而IOL所使用的是風冷式系統進行控溫，使△Tj的數據大於100oC的Junction做循環，對於WBG元件功率日益增加趨勢，IOL測試是相當重要的。
  • PCT(Pulse Cycling Test)測試設置和監控：屬於大功率模組類型的測試，在DEKRA iST德凱宜特目前能做到800安培的循環測試，使用水冷式系統進行控溫，並即時監控△Tj、TJmax以及Von/Ron的重要數據，而由計算出的熱阻結構函數就能以非破壞方式得知產品可能發生異常的位置。
針對車用功率模組AQG 324的要求，陳冠瑋資深經理與來賓分享相關動態可靠度的測試方法，第一個是Dynamic reverse bias (DRB)，如H³TRB(高溫高溼反向偏壓)是在環境濕度的條件下增加動態偏壓，以開關頻率大於25K Hz進行驗證；第二個是Dynamic gate stress(DGS)，透過電壓變化對閘極施加壓力，致使寬能隙半導體中的Vth和RDS(on)漂移，來驗證模組的效率損失程度。

陳冠瑋資深經理進一步提到，隨著高速運算技術發展之下，無論是AI、CoWoS等功率模組都需要解決散熱的問題，而DEKRA iST德凱宜特目前針對熱阻的測試採用國際規範JEDEC 51-1的電性量測法(Electrical test method)，分為四個量測步驟：(1)尋找合適感測電流、(2)校正(K factor)、(3)功率轉換/擷取、(4)結構分析。透過結構分析數據，可以得知元件每一層結構的熱阻數值；元件是由晶片、固金、基板、導熱膠堆疊上去，時常透過TST、TCT或IOL的測試應力，來加速驗證元件的可靠度，而測試後搭配熱阻量測，可快速辨識元件封裝內部的結構是否存在缺陷。再者，熱阻參數不僅能分析結構是否異常，還能融合電性參數運算出功率元件的安全工作區域SOA(Safe Operation Area)。這些方法不僅能以非破壞式方式量測，減少樣品損耗和時間成本，還能降低研發成本、縮短技術修正時程。

陳冠瑋資深經理分享可靠度手法比對的重要性，靜態和動態測量之間的差異可以用診斷心臟功能的心電圖來比擬，針對隱藏性或突發性的缺陷，透過靜態量測得到無異常的結果，若能再搭配動態量測，即可以提供不同條件下更全面的訊息，進而找到真正失效原因。唯有透過不同維度的比對分析才能得到有意義的資料。因此，利用高頻率開關儀器，執行動態量測，需關注MOSFET的四個指標：開關損耗、時間、過衝和開關速度，可以協助偵測高頻開關下可能存在的問題。
 

在演講的最後，陳冠瑋資深經理總結此次的分享，並展望新興能源的發展趨勢，WBG寬能隙半導體的市場應用將越來越廣泛，如全球持續推動太陽能、風力發電、智慧儲能與電網三大綠能供應鏈等，如何確保產品的高可靠度水準，陳冠瑋資深經理向來賓闡述五大關注方向：
  1. 從材料、晶片到模組組裝的垂直整合型生產模式
  2. 區分元件類、模組類之車用國際規範，通過可靠度驗證，加快量產歷程
  3. 功率元件／模組非破壞及破壞性精準異常分析
  4. 模組封裝技術發展與散熱經驗的累積
  5. 靜態量測與動態量測設備選擇及量測實驗室能力比對

順應全球積極推動的節能減碳潮流，WBG寬能隙半導體廠商如何在快速的技術變革中掌握最新的趨勢，以最有效率的方式驗證自身產品，提升可靠度水準，將是未來發展產品時所必須考量的關鍵重點！​​​​
 

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