【技术】eGaN FET热机械可靠性分析及应力测试

2018-05-20 EPC
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EPC公司增强型氮化镓功率晶体管(eGaN FET)EPC80xx系列(EPC8002EPC8004EPC8009EPC8010)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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  • 每天学习一点点儿 Lv9. 科学家 2019-01-24
    不错
  • dxcforever Lv3. 高级工程师 2019-01-19
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  • 电气农民工 Lv7. 资深专家 2019-01-17
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  • naix Lv4. 资深工程师 2019-01-16
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  • MagicMoon Lv8 2019-01-12
    厉害,学习学习
  • ZF Lv4. 资深工程师 2019-01-11
    很好
  • kaka520amy Lv8. 研究员 2019-01-11
    学习了
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产品型号
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Configuration
VDSmax(V)
VGSmax(V)
Max RDS(on) (mΩ) @ 5 VGS
QG typ(nC)
QGS typ (nC)
QGD typ (nC)
QOSS typ (nC)
QRR(nC)
CISS (pF)
COSS (pF)
CRSS (pF)
ID(A)
Pulsed ID (A)
Max TJ (°C)
Package(mm)
Launch Date
EPC2040
Enhancement Mode Power Transistor
Single
15
6
30
0.745
0.23
0.14
0.42
0
86
67
20
3.4
28
150
BGA 0.85 x 1.2
Apr, 2017

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2023/11/29  - EPC  - 应用及方案 代理服务 技术支持 批量订货 查看更多版本

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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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持续电流(A)
导通阻抗(mΩ)
导通电荷(nC)
峰值电流(A)
封装(mm)
EPC2040
Enhancement Mode Power Transistor
15V
3.4A
30mΩ
0.745nC
28A
BGA 0.85 mm*1.2mm

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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。

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