【经验】EPC进行一系列严格的压力测试，以保证eGaN FET可靠性

时间： 2018-07-02 来源：EPC

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前面内容详细介绍了EPC公司的增强型氮化镓（eGaN）FET和集成电路（ICS）的现场可靠性经验。 eGaN器件卓越的现场可靠性证明了基于应力的鉴定测试能够确保客户应用的可靠性。在本文中，我们将研究EPC设备进行压力测试来保证产品的合格性。

EPC产品只有完成一系列严格的应力测试才能为生产做准备，同时在数据表规格内运行。采用压力测试来加速潜在的故障模式，可以确保终端用户在产品的应用中达到预期使用寿命期间的可靠性。所有EPC产品均符合联合电子器件工程委员会（JEDEC）的压力测试要求，这些测试主要用于功率FET、IC和芯片级封装。 EPC压力测试认证可以分为三个主要领域，即固有芯片，封装环境和板级可靠性。

表1提供了包括样本量、等效设备时长和失效率的测试结果对比，有关特定产品或产品系列的其他鉴定数据可在EPC主页上找到。

表1：失效统计测试结果

图1显示了eGaN功率晶体管的基本结构，该器件是一种三端横向结构，其中电流沿着2DEG从源极流向漏极。一般情况下，2DEG在栅极耗尽处于关闭状态；当正向偏置电压施加到栅极端子上时，增强的2DEG填充在栅极下面，完成从源极流向漏极的导电路径。

图1：EGAN功率晶体管基本结构图

电压和温度最常用于加速芯片内的应力状态。在设备中数小时内迅速提高电压和温度，可以预测客户应用电路中产品的可靠工作年数。高温栅极偏压（HTGB）是用于检测器件在施加栅极应力下的可靠性标准测试；当栅源偏置电压（VGS）超过最大额定值的80%，温度超过最大额定结温（T_J）时，该器件就会被设置为截止状态（漏极短路至源极）。

高温反偏（HTRB）用于评估高漏极偏置条件下关断状态的可靠性。当栅源偏置电压（VGS）超过最大额定值的80%，温度超过最大额定结温（T_J）时，该器件就会被设置为截止状态（漏极短路至源极）；此时检测器件参数的稳定性包括：漏电流、阈值电压和导通电阻状态（R_DS（ON））。

EPC积累了大量的HTGB和HTRB数据，确保了eGaN FET和ICS的可靠性。数据显示，这些器件与硅器件相比处于同等地位或更可靠。实际上，军事和太空（辐射强化）应用都采用了最前沿的GaN技术，这将增加建立可靠性标准的高度信心。

在另一组可靠性应力测试中，检验了模具和包装件在运输、储存、客户组装和系统应用中承受暴露环境条件的能力。除了提高电压和温度外，还提高了湿度和峰值回流焊接的温度。试验中选用EPC2032为试验芯片。

EPC2032是一款氮化镓增强型晶体功率管，以硅晶片为衬底，得益于EPC先进的CMOS设备和历史悠久的开发技术经验，该产品性能卓越。作为氮化镓类功率晶体管，利用GaN的高电子迁移速率和低温度系数，EPC2032实现了4mΩ的超低导通电阻，同时其横向器件的结构形式和数量较多的载流子二极管提供了低至12nC的QG和零反向恢复损耗。

在应力测试中，除了提高电压和温度外，还提高了湿度和峰值回流焊接的温度。如图2显示了芯片EPC2032封装中的eGaN FET，该器件的有源层通过玻璃钝化很好地保护其免受周围环境的影响。

图2：EPC2032顶层钝化和焊料凸点

EPC产品符合下列环境应力测试：

•高温存储（HTS）：最大额定温度下受到应力

•高温高湿度反偏（H3TRB）：湿度升高（85% RH），源漏极电压（≥80%最大额定值）和85°C最高温度

•高压灭菌器（AC）：压力升高（29.7 psia），湿度（100% Rh）和温度（121°C）

•湿度回流灵敏度（MSL）：高湿度（85% Rh）和温度（85°C）受压，进行3次回流焊温度曲线。

EPC芯片封装符合湿度敏感级别1级（MSL1），具有无限的保质能力。在玻璃钝化芯片封装周围没有添加附加材料，可以基本消除湿气侵入等可靠性问题。在H3TrB的应力测试过程中，严格检测器件的间距轮廓，在这些测试中存在形成枝晶生长和桥接焊球的可能性。

板级可靠性

所有经过压力测试的EPC器件都被焊接到单个PCB被测器件（DUT）卡上。DUT卡用于帮助处理和测试这些小型裸片尺寸器件参数，安装到DUT卡上的器件可以并行测试板级的可靠性。

热机械测试用于测试设备和PCB之间的连接接口。温度循环（TC）是将器件暴露于冷和热的循环交替环境温度但不施加偏压来完成。间歇性工作寿命（IOL）压力测试是将固定功率应用于器件，将结温升高至预定温度，随后切断电源结冷却至起始温度。周期性温度变化导致芯片、焊料凸块和PCB内的热膨胀和收缩变化，最终导致焊点疲劳和开裂，并且是评估板级可靠性的主要指标。图3显示了采用热机械应力破坏设备的效果。

图3：IOL应力测试产生的裂纹焊点（ΔTj= 100oC）

除了上述用于产品认证的标准压力测试外，EPC还执行额外的可靠性测试，包括静电放电（ESD），早期失效率（ELFR）和电迁移（EM）。这些额外的压力测试以及产品合格测试用于评估整个产品使用寿命期间的可靠性，包括初期死亡率和寿命末期磨损。

基于JEDEC的压力测试用于鉴定和定义eGaN器件的性能，但现场可靠性最终提供了用户应用中的器件性能。本报告与以前的文章一起显示，eGaN FET和IC在验证和部署时都能够超越行业可靠性标准。下一份报告将讨论加速应力测试，加速因素和失效物理学，提供关于eGaN产品在运行寿命期间的能力的更多信息。eGaN是Efficient Power Conversion Corporation的注册商标。

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