【技术】eGaN FET热机械可靠性分析及应力测试
EPC公司增强型氮化镓功率晶体管(eGaN FET)EPC80xx系列(EPC8002、EPC8004、EPC8009、EPC8010)采用栅格阵列封装,具有高开关速度、低导通电阻和低成本的优势,在超高速DC/DC变换、射频包络跟踪、无线电能传输、游戏机以及工业遥感领域具有广泛应用。为了确保较高的现场可靠性,实际使用时需要了解eGaN FET焊接安装的热机械性能。本文重点介绍该系列的热机械可靠性分析和应力测试,最终推导出基于热循环周期失效次数的预测寿命模型。
热机械可靠性
由于EPC设备无需塑料封装、引线键合以及传统功率封装的模具附着材料,消除了封装接口,但是可能发生热应力失效,因此需要重点关注裸片和PCB之间焊点的可靠性。
焊点应力主要来源于裸片、焊点和PCB的温度波动,三种附着材料的热膨胀系数(CTE)不匹配,成为焊点应力的主要影响因素。在高于或低于环境温度的温度漂移期间,裸片(CTE~3ppm/℃)和典型FR4/FR5 PCB基板(CTE~10-16ppm/℃)以不同的速率进行膨胀和收缩,那么焊点就会发生剪应变。在经历多个温度循环后,剪应变对焊点的反复作用会导致疲劳和最终开裂(如图1所示)。除了造成信号强度降低或完全丢失以外,开裂焊点还会导致更高的裸片温度,进而影响设备的可靠性。
图1 间歇寿命测试导致的焊点开裂
热机械应力测试和建模
目前主要有两种的应力测试来评估热机械可靠性,分别为温度循环(TC)和间歇寿命(IOL):TC测试需要无偏差的运行条件,通过两个环境温度等级之间的循环测试(EPC设备典型温度-40℃~125℃);IOL应力测试采用递增的循环功率,首先使元件结温升高到预期水平,随后再降低功率使结温返回到初始条件(典型循环温度ΔTJ=100℃)。
由于裸片和PCB可能存在的较大CTE差异以及峰值温差,那么热应力循环内将出现更多焊点应变,影响应变幅值的主要因素为焊点与裸片中性点的距离、焊点底座高度。下面的方程可以用来预测某个焊点的热机械剪应变,并且给出了主要影响因素之间的关系:
其中ε为焊点的剪切应力,Δα为裸片与PCB的CTE差值,ΔT为循环温度变量,DNP为焊点和裸片中性点之间的距离,t为焊点底座高度。
为了制定基于热循环周期失效次数的预测寿命模型,通过不同的温度曲线测试设备焊点失效情况,并且计算热循环周期内的焊点应变能。初步的寿命模型采用四种不同温度曲线进行IOL应力测试(ΔTJ=100℃,ΔTJ=125℃,ΔTJ=138℃,ΔTJ=150℃),测试设备选用EPC80xx系列,计算出每个温度曲线对应的循环应力-应变能密度。图2所示为该循环模型的应力-应变能密度实例(ΔTJ=150℃),X轴和Y轴分别表示温度循环范围内焊点的剪切应变和应力分布情况,环路区域面积表示每个温度循环内的总塑性(蠕变)应变能密度。
图2 EPC80xx系列的应力-应变能密度曲线图
图3给出了计算应变能密度与T50失效循环数量(测试群体50%失效)之间的关系,幂律特性曲线能很好的拟合数据,通过下面的方程预测失效循环次数(Nf),其中ES为应变能:
图3 IOL测试数据拟合曲线图
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plhust Lv7. 资深专家 2020-08-10不错
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每天学习一点点儿 Lv9. 科学家 2019-01-24不错
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dxcforever Lv3. 高级工程师 2019-01-19666
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哒哒 Lv6. 高级专家 2019-01-18学习了谢谢
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kaka520amy Lv8. 研究员 2019-01-11学习了
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EPC eGaN®FET/晶体管选型表
EPC提供增强型氮化镓半桥功率晶体管/增强型功率晶体管/功率晶体管的选型:配置:Dual Common Source、Dual with Sync Boot、Half Bridge、Half Bridge Driver IC、HS FET + Driver + Level Shift、Single、Single - AEC Q101、Single – Rad Hard、Single with Gate Diode、Single with Gate Diode – AEC-Q101、Dual Common Source - AEC Q101,VDS最大值(V):15~350V;VGS最大值(V):5.75~7V
产品型号
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品类
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Configuration
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VDSmax(V)
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VGSmax(V)
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Max RDS(on) (mΩ)
@ 5 VGS
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QG typ(nC)
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QGS typ (nC)
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QGD typ (nC)
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QOSS typ (nC)
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QRR(nC)
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CISS (pF)
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COSS (pF)
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CRSS (pF)
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ID(A)
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Pulsed ID (A)
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Max TJ (°C)
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Package(mm)
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Launch Date
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EPC2040
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Enhancement Mode Power Transistor
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Single
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15
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6
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30
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0.745
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0.23
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0.14
|
0.42
|
0
|
86
|
67
|
20
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3.4
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28
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150
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BGA 0.85 x 1.2
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Apr, 2017
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选型表 - EPC 立即选型
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Designing EPC‘s EPC2218 100V FETs into BRC Solar GmbH‘s next generation M500/14 power optimizer has enabled a higher current density due to the low power dissipation and the small size of the GaN FET making the critical load circuit more compact.
增强型氮化镓功率晶体管技术应用简介
型号- EPC2212,EPC2214,EPC2059,EPC2216,EPC2215,EPC2218,EPC2050,EPC9126,EPC2052,EPC2051,EPC2054,EPC2053,EPC2055,EPC9086,EPC2218A,EPC90153,EPC2102,EPC2101,EPC2104,EPC2103,EPC2106,EPC2105,EPC2107,EPC2065,EPC90151,EPC90152,EPC21702,EPC2100,EPC2067,EPC2221,EPC21701,EPC2066,EPC90150,EPC9097,EPC90145,EPC90142,EPC9098,EPC90143,EPC9099,EPC9092,EPC90148,EPC90149,EPC90146,EPC9094,EPC90147,EPC2219,EPC9091,EPC2619,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2014C,EPC9507,EPC2031,EPC2152,EPC9063,EPC9126HC,EPC9186,EPC2204A,EPC9061,EPC2308,EPC2307,EPC9005C,UP1966E,EPC2203,EPC9004C,EPC2204,EPC2207,EPC2206,EPC2044,EPC9194,EPC2012C,EPC9049,EPC2252,EPC9166,EPC9167,EPC9041,EPC9162,EPC9163,EPC9165,EPC7020,EPC9160,EPC9040,EPC2302,EPC2001C,EPC2304,EPC2306,EPC2305,EPC8002,EPC9177,EPC9167HC,EPC9179,EPC9173,EPC9174,EPC9055,EPC9176,EPC9170,EPC9050,EPC9171,EPC9051,EPC9172,EPC7007,EPC2034C,EPC7002,EPC9148,EPC2071,EPC7001,EPC23101,EPC23102,EPC23103,EPC9144,EPC90140,EPC23104,EPC2111,EPC7004,EPC7003,EPC90132,EPC9022,EPC9143,EPC90137,EPC90138,EPC90135,EPC7019,EPC7018,EPC9038,EPC9159,EPC9039,EPC9156,EPC21603,EPC9036,EPC9157,EPC9037,EPC2088,EPC7014,EPC21601,EPC9158,EPC90122,EPC9151,EPC90123,EPC90120,EPC9153,EPC90121,EPC9154,EPC90124,EPC9150,EPC90128
EPC(宜普)增强型氮化镓功率晶体管技术简介(中文版)
描述- 本文介绍了eGaN® FET技术,一种增强型氮化镓功率晶体管技术。与硅MOSFET相比,eGaN FET在开关频率、效率、功率密度等方面具有显著优势。文章详细阐述了eGaN FET的应用优势,包括无线电源、射频放大器、马达驱动器等,并提供了选型指南和设计支持资源。
型号- EPC2014,EPC2016,EPC2015,EPC9203,EPC9049,EPC9046,EPC9201,EPC9047,EPC9124,EPC9048,EPC9041,EPC9040,EPC2102,EPC2024,EPC2104,EPC8009,EPC2103,EPC8008,EPC2029,EPC2106,EPC2105,EPC2108,EPC8002,EPC2021,EPC8007,EPC9057,EPC2020,EPC9014,EPC2023,EPC2100,EPC8005,EPC8004,EPC9055,EPC9050,EPC9051,EPC9509,EPC2035,EPC2014C,EPC2039,EPC9507,EPC9029,EPC2030,EPC9106,EPC9024,EPC2031,EPC9022,EPC9060,EPC9061,EPC9062,EPC2015C,EPC9038,EPC9115,EPC9039,EPC2007C,EPC9034,EPC9078,EPC9111,EPC9035,EPC9112,EPC9036,EPC2001,EPC9510,EPC9037,EPC9114,EPC9030,EPC9031,EPC9032,EPC9033
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eGaN FETs Are Low EMI Solutions!
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EPC氮化镓晶体管选型表
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产品型号
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品类
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最大耐压(V)
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持续电流(A)
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导通阻抗(mΩ)
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导通电荷(nC)
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峰值电流(A)
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封装(mm)
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EPC2040
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Enhancement Mode Power Transistor
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15V
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3.4A
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30mΩ
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0.745nC
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28A
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BGA 0.85 mm*1.2mm
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选型表 - EPC 立即选型
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电子商城
品牌:EPC
品类:Enhancement-Mode GaN Power Transistor Half Bridge
价格:¥5.6384
现货: 2,417
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价格:¥10.5122
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品类:Enhancement-Mode GaN Power Transistor Half-Bridge
价格:¥29.4342
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服务
满足150W内适配器、PD快充、氮化镓快充等主流产品测试需要;并可查看被测开关电源支持协议,诱导多种充电协议输出,结合电子负载和示波器进行高精度测试。测试浪涌电流最大40A。支持到场/视频直播测试,资深专家全程指导。
实验室地址: 深圳 提交需求>
可根据用户的MOSFET管进行参数检测出具报告,静态参数最大电压:7500V、检测最大电流6000A;动态参数最大电压:3300V、检测最大电流:4500A。该测试标准满足GB、IEC及行业标准等,具备可靠性评估及老化实验能力。
实验室地址: 西安 提交需求>
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