一种GaN功率转换器件的开关寿命评估方法与流程

本发明涉及一种gan功率转换器件的开关寿命评估方法，适用于平面增强模式、耗尽模式gan功率转换器开关寿命的评估。

背景技术：

1、氮化镓(gan)功率开关是高效、小型功率转换应用的重要器件。电流型gan功率开关基于平面高电子迁移率晶体管(hemt)，是一种场效应晶体管(fet)。gan功率晶体管具有小的输入和输出电容，它们的开关通常非常快，开关时间为纳秒量级，虽然如此快的开关转换引发的热效应较小，但由于较高的vds(gan功率开关漏极到源极的电压)和idp(gan功率开关导通状态下的漏极电流)会引发较高的电应力。因此，对于gan功率晶体管，除了传统的硅功率晶体管安全工作区soa测试之外，开关可靠性的表征也是必要的。

2、针对深空探测、宽频通信卫星等航天工程对高耐离子化辐射性、轻量化、高效能、高可靠性长期服役宇航电源管理芯片的实际需求，gan宽禁带半导体因其具有高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及高抗辐照能力，已成为宇航功率器件下一代技术方案的最优之选。然而，现有硅功率晶体管安全工作区(soa)测试方法不足以全面表征gan功率晶体管，gan器件的开关速度非常快，且多个开关过程中同时经历电压和电流应力；除了传统soa测试外，gan功率晶体管需要在连续开关条件下进行测试。硅基功率转换产品测试要么不适用，要么尚未对gan开关进行全面规定，仅有相关文献，如文献1s.singhal等的“一个gan工艺平台的质量鉴定和可靠性”；文献2e.zanoni等的“基于aigan/gan的hemt故障物理学和可靠性：影响栅极边缘和肖特基结的机制”，不包含开关寿命评估。

3、利用传统soa测试方法对gan功率转换器件进行可靠性评估具有较大误差，有如下缺点：

4、1)硅器件没有与这种动态开关行为相关的故障机制，gan器件的第二个关键新退化机制是切换soa(也称为动态高温工作寿命或dhtol)，传统硅基检定测试方法无法覆盖gan技术鉴定需求。

5、2)应力施加方式多样，且开关轨迹与失效模式具有相关性，目前尚不存在广泛覆盖的试验方法与规范化试验操作。

6、3)为了获得应力程序，需要掌握器件常见失效机理寿命模型，通过多个任务剖面适用模型对比计算，采用最保守的模型，验证在应用条件下运行gan的可靠度，但gan生命周期建模是一个发展的领域，其经验模型开发以及数据收集和呈现的实施方法尚无规范路径。

7、因此，现有mosfet器件鉴定评价方法不能准确地评价gan mosfet器件开关寿命。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题是：为克服硅功率晶体管安全工作区(soa)测试方法不足以全面表征gan功率晶体管的现实难题，本发明提出一种gan功率转换器件的开关寿命评估方法，该方法可更加准确、有针对性的评估gan功率转换器件的开关寿命。

2、本发明的技术方案是：一种gan功率转换器件的开关寿命评估方法，该方法包括如下步骤：

3、采用独立应力源对gan功率转换器件样本中的gan功率开关管进行应力-失效试验，对试验结果进行数据分析，得到电流应力加速寿命模型、电压应力加速寿命模型、温度应力加速寿命模型；

4、将电流应力加速寿命模型、电压应力加速寿命模型、温度应力加速寿命模型组合，得到多因子加速寿命模型；

5、对被测gan功率转换器件进行加速试验，得到加速试验寿命t加速试验，将任务剖面的实际应力源，代入多因子加速寿命模型，得到加速因子af，采用加速因子乘以加速试验寿命t加速试验，预测任务剖面的最小使用寿命。

6、优选地，所述电流应力加速寿命模型、电压应力加速寿命模型、温度应力加速寿命模型通过如下方法得到：

7、制备n只gan功率转换器件作为试验样本；所述n只gan功率转换器件样本中的gan功率开关管的开关应用类型涵盖三种开关类型：硬开关、软开关和电阻开关，n大于等于45；

8、针对每个gan功率转换器件样本中的gan功率开关管，选择相应的连续开关测试电路分别开展温度应力-失效试验、电压应力-失效试验、电流应力-失效试验，实时测量gan功率开关管的失效特征参数；每种独立应力源的应力-失效试验至少包含三种不同的试验条件，每种试验条件下，独立应力源按照预设梯度选取不同的值，其余的应力源不变；

9、根据每种试验条件下测量得到的gan功率开关管的失效特征参数，统计每种试验条件下的失效时间；

10、根据每种试验条件下的失效时间，采用极大似然法估算95％置信度下的寿命分布函数，拟合得到每种试验条件下最佳寿命分布函数，绘制失效时间寿命概率分布图，根据失效时间寿命概率分布图，求得90％可靠度的寿命b10，绘制90％可靠度的寿命b10与应力源的关系图；

11、根据90％可靠度的寿命b10与应力源的关系图，得到开关损耗的有效激活能，将开关损耗的有效激活能代入电流应力加速寿命模型、电压应力加速寿命模型、温度应力加速寿命模型，以修正电流应力加速寿命模型、电压应力加速寿命模型、温度应力加速寿命模型。

12、优选地，所述温度应力加速寿命模型为阿累尼乌斯寿命模型。

13、优选地，当gan功率转换器件样本为硬开关时，所述连续开关测试电路为感性负载开关电路，感性负载开关电路包括电容c1-1、二极管d1-1、电阻r1-1、电感l1-1；

14、电容c1-1跨接在电源正极和地之间，二极管d1-1的负极连接电源正极，电阻r1-1的一端连接电源正极另一端串联电感l1-1，电感l1-1的另一端和二极管d1-1的正极连接gan功率开关管的漏极，gan功率开关管的栅极和源极接地。

15、优选地，当gan功率转换器件样本为软开关时，所述连续开关测试电路为半桥配置的降压转换电路，半桥配置的降压转换器包括电容c2-1、电容c2-2、cmos管、电阻r2-1、电感l2-1；

16、电容c2-1跨接在电源正极和地之间，cmos管的漏极连接电源正极，cmos管的源极连接gan功率开关管的源极，gan功率开关管的栅极和gan功率开关管的漏极接地，cmos管的栅极连接电感l2-1的一端，电感l2-1的另一端并联连接电容c2-2和电阻r2-1，电容c2-2和电阻r2-1的另一端接地。

17、优选地，对于当gan功率转换器件样本为电阻开关时，所述连续开关测试电路为阻性负载开关电路，阻性负载开关电路包括电容c3-1、电阻r3-1；

18、电容c3-1跨接在电源正极和地之间，电阻r3-1的一端连接电源正极，另一端连接gan功率开关管的漏极，开关管的栅极接地，gan功率开关管的源极连接电阻r3-1，漏极接地。

19、优选地，所述失效特征参数包含测量vds、rds(on)、idp；

20、当任一失效特征参数漂移到预设的最小值与最大值确定的范围之外时，定义为失效，记录失效时间。

21、优选地，电流应力-失效试验的试验工况设置如下：

22、控制gan功率开关管的漏极与源极之间的电压保持额定电压值不变、电流按照预设的梯度取值，结温保持预设值；

23、电压应力-失效试验的试验工况设置如下：

24、控制gan功率开关管的漏极与源极之间的电流保持额定电流不变、电压按照预设的梯度取值，结温保持预设值；

25、温度应力-失效试验的试验工况设置如下：

26、将gan功率开关管接通状态下漏极与源极之间的电流保持额定电流不变或gan功率开关管断开状态下漏极与源极之间的电压保持在额定电压不变，结温按照预设的梯度取值。

27、优选地，所述多因子加速寿命模型为：

28、af＝k1·fv(vds)fi(idp)ft(t)

29、其中，af为加速度因子；fv(vds)为电压应力加速寿命模型，fi(idp)为电流应力加速寿命模型，ft(t)为温度应力加速寿命模型，vds为gan功率开关管漏极到源极的电压，idp为gan功率开关导通状态下的漏极电流，t为gan功率开关管的结温，k1为多因子加速寿命模型系数。

30、电流应力-失效试验、温度应力-失效试验、电压应力-失效试验均以采用定数截尾的试验方法开展试验，直至全部电路失效，试验停止。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、(1)、本发明通过切换压力刺激及其轨迹进行分类，并使用更严酷的应力条件来覆盖低应用条件，从而获得广泛覆盖的程序。

33、(2)、本发明给出了获得磨损模型和器件寿命的程序。

34、(3)、本发明给出了选择测试电路和制定测试计划的一般指南。