【经验】检验eGaN产品的技术和现场应用的可靠性
EPC公司的增强型氮化镓（eGaN）FET和集成电路（IC）产品已经在LIDAR、无线充电、DC-DC转换、RF基站传输、卫星 系统和音频放大器等多个场所进行了应用。现场可靠性是确保eGaN FET和IC产品在客户应用中质量的最终指标。 EPC公司产品通过移除芯片周围的封装，减少了模塑化合物、衬底、键合引线和裸片附着材料带来的故障危害，显著增强了eGaN FET的电气性能和可靠性。
EPC公司的产品进行了6年的批量生产和超过了170亿次的运行记录，计算出了产品失效时间约为0.24 FIT，这表明了eGaN FET具有出色的现场可靠性能。EPC总共收到了127个现场故障器件，其中有37个设备通过了电气测试，没有发现异常情况。
图1：现场故障器件的故障原因分类
通过分析这些故障器件，EPC公司发现产品故障原因主要为三个方面：安装故障、应用故障和内部故障。
1、安装故障
现场使用故障中占据比例最高的是安装故障，器件的损坏量达到了75个。在组装过程中，焊膏和焊剂释放量的不当控制，以及焊剂冲洗和固化不充分造成了36个器件损坏。 未正确漂洗和干燥的助焊剂可能积聚在焊球之间的区域，并有可能形成树枝状晶体，这可能产生导电性和漏电路径致使器件失效。 对于高可靠性组装，建议冲洗模具下的所有残留焊剂后先进行高温干燥固化再对器件施加电压。 图2显示了连接未固化焊剂中两个端子的树枝状晶体。
图2：eGaN FET显示剩余磁通量形成的枝晶
组装过程中的振动、回流焊和PCB阻焊层设计都可能导致模具倾斜，会导致PCB焊盘上的焊膏体积释放不均匀；图3和图4显示了正确安装与器件不良组装的对比。EPC为数据表中的每个器件提供了焊接模板、PCB焊盘图案和焊锡隔离高度建议。优化焊锡间隙高度有助于为剩余焊剂的冲洗提供额外的空间，并且还可以通过增加焊点的柔顺性来降低热机械应力，从而提高总体温度循环性能。
图3：倾斜模具捕获残留焊剂
图4：正确安装的设备
现场使用故障中有27个器件是模具具角落碎裂造成的。芯片级封装与传统半导体封装相比具有许多显着优势，芯片级封装使芯片暴露在环境中。EPC在生产过程中使用自动光学检测工具可以筛选出卷带和机械损坏。客户使用诸如拾取和放置之类的自动工具进行组装时，必须进行编程和对准，以免造成角落碎裂或模具裂缝。在由于碎裂导致的27次故障中，发现在eGaN器件周围插入元件的PCB放置工具没有足够的间隙以避免撞击和损坏芯片。下面的图5显示了由于芯片崩裂引起的场失效的示例光学显微镜图像。
图5：现场故障显示模具角落碎裂
现场使用故障中有12个器件是器件组装期间PCB焊盘上焊膏量不足导致的；根本原因是PCB制造期间未经过焊接的焊盘附近的过孔。 测试过程中使用一层焊接掩模来覆盖通孔开口并防止焊料流动的路径。
图6：（a）带有焊接覆盖物的通孔图，（b）PCB显示未覆盖的通孔
客户选用eGaN芯片替代MOSFET，必须了解小封装和更紧密焊料技术，包括：焊膏类型，焊接模板，焊剂，板清洁度，通孔设计，焊接掩模和焊点间距，这样才能确保eGaN器件的组装和板级可靠性。
2、应用故障
现场使用故障中有12个是使用过程中造成的故障；由于寄生电感过大的电路布局中的电压过冲导致电气过应应，导致11个现场故障损坏。与通常表现为完全不可操作的器件的DC过应力条件相反，瞬态过电压可导致观察到器件劣化，如泄漏电流增加或状态电阻增加。
这几个故障件型号主要为EPC2010C和EPC201，它们的VGS（TH）在0.8V～2.5V之间，低控制电压简化了数字驱动控制电路的设计。其漏极与源极之间的最大电压VDS为200V，有着超低的导通电阻，RDS（on）最大值为25mΩ，典型值为18mΩ，极低的导通电阻代表其具有高工作电流，同时低导通阻抗可以带来低损耗，不仅提升了效率，而且减小自身发热。
eGaN器件EPC2010和EPC2015的极低电容和极快的开关边沿速率需要仔细布局PCB，以最大限度地降低共源极电感（CSI），栅极 - 源极环路中的电感以及功率环路电感（参见图7）。图8显示了EPC EPC2010同步整流电路，通过将PCB布局的环路电感从1.6nH降低到0.4nH，对高频应用中开关波形过冲的影响。由高频功率回路电感引起的峰值瞬态电压分别从稳态值的100％降低到30％。
图7：显示寄生电感的同步整流器
图8：具有功率回路电感的EPC2010设计的高频开关波形
类似地，栅极驱动电路处的共源极电感和非最佳电阻的增加可能导致电压过冲和振铃，从而导致器件故障。 栅极驱动电阻的优化和栅极环路电感的减小导致电压过冲明显减少，如下面的图9所示。
图9：EPC2010同步整流电路
3、内部故障
内部设备故障占现场故障器件的百分比较低，只记录了3个单位。基于这3个现场故障单元以及超过170亿个设备小时，计算的FIT率约为0.24 FITS（60％置信区间）。
动态RDS（ON）是一种可能对老一代GaN器件产生不利影响的机制，这是由于基本材料层中的载流子捕获造成的。由于这些激活GaN FET的导通状态电阻在长时间经受高漏极电压时会发生偏移。 FET制造商和最终用户必须理解这种现象，以设计足够的保护带以适应。
EPC公司一直致力于改善材料特性，降低载流子陷阱浓度，从而将动态RDS（ON）限制在可忽略不计的效果。eGaN器件极低的现场故障率表明，在正确组装和操作时，GaN技术在许多最终用户应用中具有内在的可靠性。
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