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GaN 신뢰성 및 수명 예측: 15단계(6)
“test-to-fail” 방법론을 사용해서 eGaN 디바이스 수명 예측

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글/Ricardo Garcia, Siddhesh Gajare, Ph.D., Angel Espinoza, Max Zafrani, Alejandro Pozo, Ph.D., Shengke Zhang, Ph.D., EPC

최신의 태양광 패널은 갈수록 더 높은 전력 밀도와 더 긴 작동 수명을 요구한다. 전력 최적화기나 마이크로인버터 내장 패널 같은 태양광 애플리케이션이 갈수록 인기가 높아지고 있으며, 이러한 애플리케이션들로 저전력 GaN 전력 디바이스(VDSMax < 200V)가 널리 사용되고 있다. 이 시장에서 경쟁력을 높이기 위해서는 동일한 폼팩터로 더 높은 전력 밀도와 더 긴 수명을 달성해야 한다. GaN 전력 트랜지스터 및 IC는 태양광 전원 시스템을 더 작게 만들고, 더 낮은 온도로 작동하고, 효율을 높이고, 신뢰성을 높이도록 한다.

태양광 설비는 통상적으로 25년 넘는 수명 동안 신뢰하게 작동할 수 있어야 한다. “test-to-fail(실패 테스트)” 방법론은 극히 가속화된 테스트 조건으로 디바이스들로 스트레스를 가한다. 디바이스들이 빠르게 결함을 일으키도록 하고 결함 분석을 실시해서 잠재적인 결함 모드를 파악할 수 있다. 그럼으로써 내재적인 결함 메커니즘을 이해하고, 다양한 미션 프로파일로 수명을 정확하게 예측하기 위한 물리학 기반의 수학 모델을 개발할 수 있다. 

게이트 스트레스

이 시험에 사용된 디스크리트 GaN 디바이스(EPC2212)는 우수한 장기적 게이트 신뢰성을 나타냈다. “test-to-fail” 방법론으로 가속화 게이트 바이어스 조건으로 테스트를 실시했다. 발생된 결함들에 대해서 결함 분석을 통해서, 게이트 금속과 금속 필드 플레이트 사이에 일관된 결함 모드가 발견되었다. 14단계 보고서[2]의 그림 3에서 설명하고 있듯이, 이 시험으로 발견된 게이트 결함들은 샌드위치처럼 사이에 낀 실리콘 나이트라이드 유전체가 원인인 것으로 파악된다.

결함 분석을 통해서 발견된 내인성 결함 메커니즘에 근거해서, 모든 관찰된 것들을 설명하기 위한 제일원리(first-principle) 수학 모델을 개발했다. 이 모델을 사용해서 각기 다른 게이트 바이어스, 온도, 듀티 사이클로 수명을 예측할 수 있다. 그림 28의 그래프는 EPC2212로 측정된 가속화 데이터를 근거로 해서 이 물리학 기반 수명 공식을 적용해서 얻어진 것이다. EPC2212가 지속적으로 최대 정격 게이트 전압(VGS = 6V)으로 DC 게이트 바이어스를 한다고 했을 때 1ppm 미만의 고장률(failure rate)로 35년 이상의 수명이 예측된다. 

게이트 바이어스를 최대 정격 전압보다 낮게 한다면 eGaN 디바이스가 25년 이상의 수명 동안에 고장률이 극히 낮을 것이다. 이러한 예측 결과는 EPC가 게이트 결함과 관련해서 현장에서 체험하는 것과도 일치한다.

[그림 28] 25℃로 VGS에 대해서 EPC2212의 MTTF. 4가지 전압으로 오차 막대를 표시하고 있다. 이 선은 [6]에서 설명한 충격 이온화 수명 모델을 적용한 것이다.

드레인 스트레스

GaN 디바이스의 낮은 RDS(on)과 작은 다이 크기는 태양광 패널의 효율을 크게 높이고 전력 손실을 낮추도록 한다. GaN으로 주로 염려되는 문제는 동적 온-저항이다. 디바이스가 높은 드레인-소스 전압(VDS)에 노출되면 트랜지스터 온-저항이 증가한다. 온-저항이 증가되도록 하는 주된 내인성 결함 메커니즘은 트랩 상태에서 채널 가까이에서 전자들이 포획되는 것이다[5]. 포획된 전하들이 누적됨에 따라, 온 상태에서 2DEG(2차원 전자 가스)의 전자들을 공핍시킨다. 그럼으로써 RDS(on)이 증가된다.

열 전자(hot electron) 포획 메커니즘을 파악하고서, 최대 정격 VDS 및 그 이상으로 더 많은 열 전자를 제공해서 이 결함 메커니즘을 가속화하기 위해서 저항성 하드 스위칭 토폴로지 회로를 개발하고 구현했다[2,6,21,22]. 이로부터의 특성분석 테스트 결과를 바탕으로, eGaN FET으로 모든 바이어스 및 온도 스트레스 조건으로 동적 RDS(on)의 영향을 설명하기 위한 제일원리 모델을 개발했다.

플라이백은 태양광 애플리케이션의 마이크로인버터에 널리 사용되는 토폴로지이다. 일차 측에 사용하기 위한 트랜지스터를 선택할 때, 드레인 전압은 세 가지 요소로 이루어진다. (1) 버스 전압, (2) 플라이백 전압, (3) 디자인의 인덕턴스로 인한 스파크 잡음이다. 태양광 애플리케이션에 사용되는 마이크로인버터로 통상적인 버스 전압은 60V이다. 플라이백 전압은 시스템 출력 전압에다 트랜스포머 권수비를 곱한 것으로서, 대체로 버스 전압보다 낮다. 여기에다 스파크 전압과 디레이팅을 고려한 약간의 마진을 더해서, 태양광 애플리케이션으로는 170V의 최대 VDS 정격을 흔히 사용한다.

EPC2059는 170V 최대 VDS 정격 제품으로서, 태양광 애플리케이션에 사용되는 마이크로인버터의 일반적인 요구를 충족한다. 그림 29는 케이스 온도를 80℃로 하고서 EPC2059 디바이스를 136V(170V 최대 정격 드레인 바이어스의 80%)로 지속적으로 하드 스위칭으로 작동했을 때를 보여준다. 80℃는 태양광 애플리케이션의 공칭 작동 온도이다. 그림에서 보듯이, 측정 데이터와 모델로 35년에 걸쳐서 지속적인 하드 스위칭으로 인해서 RDS(on)이 약 10% 증가할 것으로 예측된다. 이전 문헌[2,6,21,22]에서 설명하고 있는 것과 같이 로그(시간) 성장(log(time) growth) 특성에 근거해서 외삽을 했다.

또 다른 주요한 태양광 애플리케이션은 마이크로인버터의 일차 스테이지(통상적으로 풀 브리지)에 DC-DC 컨버터를 사용하는 것이다. 전력 최적화기에 이 토폴로지를 흔히 사용한다. 높은 효율을 달성할 수 있다는 점에서 전력 최적화기가 갈수록 더 많이 도입되고 있다. 이 애플리케이션에는 100V 정격 EPC2218, EPC2053, EPC2302 같은 GaN 디바이스가 적합하다.

그림 30은 다수의 EPC2218 eGaN 트랜지스터를 25℃ 주변 온도로 100V 최대 정격 전압 바이어스로 지속적으로 저항성 하드 스위칭 동작으로 1000시간 넘게 테스트했을 때의 결과를 보여준다.

이 결과로부터 다음과 같은 두 가지 결론을 도출할 수 있다:

1. 35년 이상에 걸쳐서 지속적인 하드 스위칭으로 인해서 EPC2218의 RDS(on)이 약 10% 증가할 것으로 예측된다.

2. 35년에 걸친 RDS(on) 예측에 있어서 1150시간 테스트와 단시간 테스트(5시간)가 10% 이내에서 일치한다. 이 약간의 차이는 임의적인 주변 온도 변동으로 인한 것이다. 그러므로 단시간 데이터를 사용해서 장기적인 RDS(on) 동작을 거의 정확하게 예측할 수 있다고 볼 수 있다.

그러므로 eGaN 디바이스가 25년 혹은 그 이상의 수명으로 동적 온-저항에 대해서 견고성이 우수하다고 할 수 있다.

[그림 30] 두 집단의 EPC2218 eGaN FET 샘플로 주변 온도와 100V 바이어스로 지속적으로 저항성 하드 스위칭 동작으로 1000시간 넘게 동적 RDS(on) 동작을 테스트했다. 단시간 테스트와 장시간 테스트가 35년에 걸친 예측에 있어서 ?10% 이내에서 거의 일치한다는 것을 알 수 있다.

열-기계 스트레스

열-기계 신뢰성은 태양광 애플리케이션으로 또 다른 중요한 측면이다. 태양광 패널은 야외에 설치되고 날마다 상당한 온도 변화를 겪는다. 그러므로 태양광 패널의 PCB에 탑재되는 디바이스는 25년 이상의 수명에 걸쳐서 지속적인 주변 온도 변화를 견딜 수 있어야 한다. 마찬가지의 “test-to-fail” 방법론으로 EPC2218A의 보드 차원 열-기계 신뢰성을 테스트했다. EPC2218A는 EPC2218의 차량용 버전이다. 위에서도 언급했듯이, EPC2218A나 이 비슷한 급의 상업용 100V 정격 디바이스는 태양광 애플리케이션의 전력 최적화기에 사용하기에 적합하다. 

언더필 소재를 적용하거나 적용하지 않고서 세 가지 조합의 온도 사이클링 스트레스 조건으로 테스트를 실시했다. 온도 사이클링 범위는 두 가지를 사용했다. 온도 사이클 1(TC1)은 -40℃~125℃이고, 온도 사이클 2(TC2)는 -40℃~105℃이다. 그리고 -40℃~125℃(TC1) 온도 범위로 언더필 소재를 적용하고 적용하지 않은 두 가지 경우를 비교했다. 언더필 소재로는 이전 시험에서 우수한 성능을 나타낸 HENKELS LOCTITE(제품번호: ECCOBOND-UF 1173)를 선택했다[5]. 적합한 언더필 소재를 선택하는 것에 관해서는 참고문헌 [6]에서 가이드라인을 제시하고 있다. 테스트를 위해서 디바이스들을 SAC305 솔더 페이스트를 사용해서 2레이어 1.6mm 두께 FR4 보드로 이루어진 DUT 카드 또는 쿠폰에다 탑재하고 수용성 플럭스를 사용해서 세척했다. 언더필을 적용한 디바이스들은 언더필을 바르기 전에 플라즈마 세척 공정을 거쳤다.

산업 표준(JESD22-A108F[27])과 여타 고객 요건에 준해서 시험을 실시했다. 각각의 테스트 조건으로 EPC-2218A를 88개씩 테스트했으며, 모든 테스트 조건으로 양 극단의 온도로 동일한 속도로 온도를 변화시키고 드웰 시간을 같게 했다. 매 온도 사이클링 간격이 끝나고 전기적 검사를 실시했다. 이 검사에서 데이터시트 한계를 초과하는 것을 결함으로 판단했다. 주된 전기적 결함은 RDS(on) 상승인 것으로 나타났는데, 디바이스들은 여전히 계속해서 정상적으로 작동했다. 전기적 결함을 좀더 자세히 살펴보기 위해서 물리적으로 단면을 잘라서 SEM 검사를 실시했다. 분석한 모든 결함으로 솔더 접합부 균열이 단일한 결함 모드인 것으로 드러났다.

그림 31은 이 온도 사이클링 결과의 베이불 결함 분포를 보여준다. 각각의 온도 사이클링 조건으로 2파라미터 베이불 분포를 사용해서 최대 우도 추정법(MLE)으로 결함 분포를 분석했다[28]. 이렇게 해서 얻어진 것이 그래프 상의 선들이다.

언더필을 적용하지 않고서 TC1(-40℃~125℃)은 1600 사이클에 50% 이상의 결함 비율에 도달했다. 물리적 결함 분석을 실시했더니, 여러 지점에서 모든 결함들로 솔더 접합부 균열이 단일한 결함 모드인 것으로 드러났다.

언더필을 적용하지 않고서 TC2(-40℃~105℃)는 1800 사이클에 약 15%의 결함 비율을 나타냈다. TC1과 비교해서 TC2 테스트 조건으로 강하게 가속화가 발생되는 것으로 보였다. 이 두 테스트 조건은 언더필을 적용하지 않았다.

상당한 가속화 요인으로는 두 가지 결함 메커니즘을 들 수 있다. 첫째, 두 테스트 조건으로 ΔT 차이가 솔더 피로 결함 메커니즘을 가속화한다. 이것은 코핀-맨슨(Coffin-Manson) 공식으로 잘 설명하고 있으며, JEDEC[29] 및 AEC[30] 표준들에 잘 반영되어 있다. 하지만 이 결함 메커니즘만으로는 가속화를 설명하기에 충분하지 않다. 여기에는 또 다른 메커니즘이 작용하는 것으로 볼 수 있다. 바로 크립(creep) 솔더 접합부 결함 메커니즘이다. 뜨거운 쪽 극한 온도일 때 드웰 시간에 크립이 주로 영향을 미치는 것으로 보인다[31-35]. 이 크립 메커니즘은 활성화 에너지를 사용해서 제어할 수 있다. 

HENKEL 언더필을 적용하고서 TC1(-40℃~125℃)은 1600 사이클 후에 전기적 검사를 실시해서 절대 RDS(on) 값이나 RDS(on) 변화에 있어서 이상치를 나타내는 디바이스가 없었다. 검사한 모든 파라미터가 매 온도 사이클링 사이클에 걸쳐서 매우 밀집되게 분포했다. 1600 사이클을 통과한 디바이스들로부터 무작위로 선택해서 물리적 단면 검사를 실시했는데, 솔더 접합부 균열이 발견되지 않았다. 그러므로 적합한 언더필을 적용함으로써 칩 스케일 패키지 디바이스의 열-기계 성능을 크게 향상시킨다는 것을 알 수 있다. 그러므로 지금까지의 테스트 결과로 보면, 언더필을 적용하고서 TC1의 베이불 핏 라인을 성능 상의 하한 한계로 볼 수 있다. 이 테스트는 현재도 계속되고 있으며, 결함이 발견되면 이 플롯을 업데이트할 것이다.

보드 차원 온도 사이클링으로 발견된 주요 결함 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 노리스-란츠베르크(Norris-Landzberg) 모델[31]을 적용해서 좀더 포괄적인 수명 모델을 개발했다.

이 공식에서 N은 결함이 발생되기까지의 사이클 수이고, f는 사이클링 주파수이고, α는 사이클링 주파수 지수이다. 이 주파수 항은 사용된 주파수를 기술하기 위한 것이다. 이 시험은 하루의 총 사이클링 횟수를 계수해서 사이클링 주파수를 결정했으며, 사이클링 주파수 지수 α는 널리 사용되는 -1/3이다[32-36]. ΔT는 한 사이클로 온도 변화의 범위이고, β는 온도 범위 지수이다. 이 항은 위에서 언급한 바와 같이 잘 알려진 코핀-맨슨 관계식으로서[29-31], ΔT의 영향을 반영하기 위한 것이다. 온도 범위 지수는 통상적으로 약 2이다. 이 시험에는 SAC305 솔더를 사용했으므로, 이 수명 모델링으로 지수 β는 2.3이다[28-34]. 마지막 변수는 아레니우스 항으로서, 매 사이클로 최대 온도 TMax로 크립 결함 메커니즘에 관한 것이다. 이 항에서 Ea는 활성화 에너지이고, k는 볼츠만 상수이고, TMax는 고온 드웰 스테이지의 최대 온도(단위 °K)이다. 

활성화 에너지를 구하는 것 또한 중요하다. 이것이 수명 모델을 개발하기 위한 마지막 단계이다. 표 25에서 열거하고 있듯이, 언더필을 적용하지 않고서 TC1과 TC2 사이에 MTTF를 비교해서 가속화 계수를 구했다. 이 가속화 계수를 근거로 해서 TMax일 때 활성화 에너지(Ea)는 0.2eV인 것으로 계산되었다.

그림 32에서는 TMax 125℃라고 했을 때 노리스-란츠베르크 모델을 사용한 수명 예측 곡선을 보여준다. 125℃는 크립 결함 메커니즘으로 최악 상황 시나리오라고 할 수 있다. 9,125 사이클에 가로로 검정색 점선은 하루에 한 번의 열 사이클이라고 했을 때 25년의 작동 기간에 해당된다. 이 그림을 보면, 고온에서 저온으로 혹은 저온에서 고온으로 60℃의 일정한 온도 변화로 25년 동안 계속해서 동작한 후에, 언더필을 적용한 EPC2218A 디바이스의 0.1%만이 RDS(on) 증가로 인해서 데이터시트 한계를 벗어난다는 것을 알 수 있다. 1% 고장률일 때는 99%의 디바이스가 76℃의 일정한 ΔT로 25년을 계속해서 동작할 수 있다. 언더필을 적용하지 않고서도 99%의 디바이스가 약 50℃의 고정적 ΔT로 25년을 계속해서 동작할 수 있다.

하지만 실제로는 태양광 패널로 주변 온도가 변동적이고, 계절이나 장소에 따라서 온도가 크게 변화될 수 있다. 그러므로 25년의 수명에 걸쳐서 다양한 미션 프로파일로 수명을 좀더 정확하게 예측하기 위해서 열-기계 스트레스에 대한 좀더 포괄적인 수명 모델이 필요했다. 이에 공식 7에서 보는 것과 같이, 각기 다른 계절에 각기 다른 ΔT를 반영할 수 있는 좀더 실제적인 수학 모델을 개발했다.

이 공식에서 NTotal은 계산된 수명의 총 사이클 수이고, NΔTa는 ΔTa 조건으로 결함이 발생하기까지의 사이클이고, a는 ΔTa 조건으로 디바이스가 작동한 시간 양이고, NΔTb는 ΔTb 조건으로 결함이 발생하기까지의 사이클이고, b는 ΔTb 조건으로 디바이스가 작동한 시간 양이고, NΔTi는 ΔTi 조건으로 결함이 발생하기까지의 사이클이고, i는 ΔTi 조건으로 디바이스가 작동한 시간 양이다.

이 모델을 개발할 때, 세 가지 요소가 솔더 접합부 수명에 주로 영향을 미치는 것으로 파악되었다. 이들 요소 각각을 모델에 포함시켰다.

1. 각기 미션 프로파일의 지속기간을 구분해야 한다. 이를 위해서 공식 7로 a, b, …, i 같이 각기 항의 분자로 분수 계수를 사용했다.

2. 각기 미션 프로파일의 온도 변화(ΔT): 이 항은 공식 6의 노리스-란츠베르크 모델에 잘 반영되어 있으며, 이것을 플롯으로 그린 것이 그림 32이다. ΔT가 가장 클 때 솔더 접합부로 가장 심한 스트레스가 가해지고, 결함이 발생하기까지의 사이클이 앞당겨진다. 디바이스의 전반적인 수명은 스트레스가 극심한 기간에 주로 좌우된다. 이 영향을 반영하기 위해서 분모로 “결함이 발생하기까지의 사이클”(NΔT) 항을 집어넣고 모든 항을 더하도록 했다.

3. 매 사이클로 가장 뜨거운 온도 또는 기준 온도. 예를 들어서 동일한 ΔT라고 하더라도 겨울이냐 여름이냐에 따라서 솔더 접합부가 겪는 스트레스 수준이 다를 수 있다. 이 영향은 공식 6의 아레니우스 항에 포함되었다. 이 항이 결국에 분모로 “결함이 발생하기까지의 사이클”(NΔT) 항을 좌우한다.

그 다음에는 실제 사례로 공식 7을 사용해서 수명 전반에 걸쳐서 각기 다른 미션 프로파일을 적용해서 수명을 계산했다. 이 계산에는 언더필을 적용하고서 EPC2218A로 0.1% 고장률일 때의 수명 플롯을 사용했다.

태양광 패널을 애리조나주 피닉스에 설치한 것으로 가정했다. 이곳은 기후적으로 일조량이 풍부해서 태양광을 설치하기에 잘 맞으나, 시간대에 따라서 극심한 온도 변화 때문에 매우 엄격한 열-기계 성능을 요구한다. 2023년도 예보를 근거로 했을 때[37], 1월 ~ 4월의 평균 ΔT는 14.5℃로 예상되고(전체 시간의 1/3), 5월 ~ 8월의 ΔT는 20℃로 예상되고(전체 시간의 1/3), 9월 ~ 12월의 ΔT는 14.75℃로 예상된다(전체 시간의 1/3). 표 26은 그에 따른 “결함이 발생하기까지의 사이클”을 보여준다. 이에 따라서 0.1% 고장률로 총 수명은 167,000 사이클인 것으로 계산된다. 한 사이클은 하루에 해당한다. 그러므로 0.1% 고장률로 온도 사이클링 스트레스에 대해서 수명은 450년으로 계산된다.

지금까지 살펴본 바들을 종합하면, 태양광 애플리케이션으로 언더필을 적용하고서 EPC의 100V 정격 5세대 제품군을 사용함으로써 열 사이클링 신뢰성 위험을 크게 낮추고 25년이 훨씬 넘는 뛰어난 수명을 달성할 것이라고 알 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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