全球能源危機下,如何提升能源效率是全世界關注的議題,因此寬能隙(WBG, Wide-Band-Gate)元件發展受到相當的重視,也就耳熟能詳的「化合物半導體」或「第三代半導體」。寬能隙元件應用目的包括提升太陽能與風力發電效率、縮短電動車充電時間,以及提升資料庫大數據用電效率。於此同時,為確保品質與安全性,功率元件可靠度的測試成為關鍵要素,不只需要同步進行,更要針對每個項目設計適合的測試方法。

新世代功率半導體在電動車的應用特性與趨勢
近年汽車功率元件發展趨勢,碳化矽(SiC)氮化鎵(GaN)等新世代功率半導體市場預計將以每年近20%的速度增長,應用包括車載充電器、快速充電樁與無線充電系統等。其中碳化矽(SiC)具備優越的低阻抗、高速動作、高溫動作等,以此為原料製造的功率元件在工作溫度、電壓、頻率、功率範圍及能量消耗等特性上都具有相當優勢。

針對產品選擇合適且符合經濟效益的國際規範
因應電動車產業蓬勃發展,車用規範的更新較過去快速許多,因此在產品的設計上,可靠度驗證也需要持續跟進。針對車用零組件,最常見的兩項國際規範分別是AEC-Q101與AQG 324。
 
  •  AEC-Q101 
AEC-Q101是由汽車電子協會(Automotive Electronics Council,簡稱AEC)所訂定,針對離散半導體元件的應力測試標準與測試方法。規範中建議車用元件,應依據此規範的測試方法來確保元件未來在使用環境上,能有一定水準的品質及可靠度;而因為需要建立一定的信心指數,要求驗證多批(lot)且龐大的待測物數量,對應成本也較高。
Figure 1: AEC-Q101 Rev.E test item
Reference: DEKRA iST

 
  •  AQG 324 
AQG 324則是由德國汽車原始設備製造商和ECPE聯合工作組以及德國ZVEI協會共同開發。針對車輛中的電力電子轉換器單元(PCU)功率模塊的資格認證。相較於前項規範,針對模組功率元件的測試,AQG 324的待測物數量要求較少,也較符合經濟效益。
Figure 2: AQG 324 test item
Reference: DEKRA iST

產品可靠度觀點的三個關鍵驗證項目
依據深厚驗證經驗,德凱宜特提出車用高功率元件不可忽略的三個關鍵項目分別為RTHIOLSOA
  •  RTH(熱阻)測試的特點與應用 
熱阻(Thermal resistance,簡稱RTH)是熱傳計算與產品開發的重要參數,指單位時間內兩點之間溫度差與熱傳量的關係。目前寬能隙元件發展快速,然而許多重要的可靠度測試都需要先了解在不同實驗設計下的熱阻表現,才能有效控制T-junction並達到實驗的目的。
Figure 3: RTH(Thermal resistance)Test Process
Reference: DEKRA iST

 
  •  IOL(間歇性操作壽命)測試的特點與應用 
間歇性操作壽命測試(Intermittent Operating Life,簡稱IOL)是一種動態可靠度測試,利用升溫與降溫的循環模擬開關次數。由於目的為推估出產品最終壽命,依據AQG 324規範IOL(亦同Power cycling)測試皆為測試至異常為止(Test to Fail)。因此受測後的產品必然會老化而產生品質變異,尤其熱阻及接面溫度(T-junction)皆會產生變化。

以IGBT結構層為例,功率元件各層接觸面和劇烈的溫度變化處是熱應力破壞最顯著的位置。在結合層最常見的問題則是剝離現象(Peeling),以往需要透過切片等破壞性分析才能檢測出,然而透過IOL測試系統,在待測產品高低溫變化的同時即時監控相關數據,包括Rth、Tj 、Vds、Ids與Igss。當產品數值開始有異常變化時,可提早分析結構層的脆弱區域,進而避免因產品燒毀後無法分析之窘境。另外,在連接線的部分也容易因多次Ids on-off切換,會造成老化甚至有欲脫離的現象。因此利用IOL測試即可分析出產品在使用多久次數開關後會產生失效的現象,並預估產品壽命。
Figure 4: Vulnerable Areas of Power Components
Reference: DEKRA iST

 
  •  SOA(安全工作區域)測試的特點與應用 
安全工作區(Safe Operating Area, 簡稱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的範圍。SOA一般可藉由實際量測和計算得出,但是執行破壞性量測不僅需要耗費大量時間,並可能會在量測途中損失大量產品,導致成本升高。德凱宜特運用深厚驗證經驗,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TTM(Time to market)以提升產品在市場上的競爭優勢。
Figure 5: SOA(Safe Operating Area)Test Process
Reference: DEKRA iST

除此之外,德凱宜特也提供完整的一站式驗證服務,包括特殊高壓板設計功率元件參數量測HTRBHTGBH3TRB,以及TST等各種車用相關可靠度測試項目。
 

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