车用功率元件高电压时代来袭！ 两大面向确保WBG可靠度

通常宜特实验室面临到最多的问题就是，国际标准这么多，有公规也有客规，究竟产品应该符合哪些标准才能确保下游客户买单？ 其实，这种情况不只存在于今天要分享的功率元件主题，各阶段的产品都有类似问题。 本篇小学堂先聚焦分享功率元件最常用的三大国际规范，若对于其他芯片和模组的规范有问题，也欢迎来信跟我们联系（阅读更多：车电零组件可靠度验证（AEC-Q）、进入电动车供应链必备-国际可靠度质量车规五步骤一次解析）。

功率元件最常用的国际规范如AEC-Q101、AQG324、ISO 16750，随着技术演进不断滚动更新中。 这些标准的修订将针对WBG宽能隙半导体技术的特性进行扩展或修改，甚至可能制定新的独立文件，以更好地适应未来市场需求。 以下为您一一介绍这三个国际间常参考的车用规范：

（一）AEC Q101：

AEC Q101为美国汽车电子委员会 （Automotive Electronics Council，简称AEC） 推出的车电验证标准之一（阅读更多：AEC-Q系列规范）聚焦于半导体离散组件的应力测试标准。

2024 AEC在美国底特律举办的会员大会（Workshop），议程中提及由于WBG的使用情况与硅（SiC）不同，需要不同的应力条件; 但目前AEC-Q101中的测试要求，并未充分涵盖WBG宽能隙半导体，因此AEC预计将扩展和修改Q101规范或是另外建立新的独立文件。 议程中讨论了关于WBG宽能隙半导体重要的七个可能会改版要点：HV H3TRB、IOL、PCT、TC、GSS、BDOL、HAST/H3TRB。 分列如下：

1. HV H3TRB / 高电压高温高湿反向偏压测试（High Voltage High Humidity High Temperature Reverse Bias）：
   2024年AEC协会定义出HV H3TRB的内容，并且取消AEC-Q101中测试电压最大100V的限制， 因此未来实验室在高温高湿条件下能够使用更高的电压测试。
2. IOL / 间歇性作寿命测试（Intermittent Operating Life）：
   IOL为AEC特别定义裸晶需要进行的测试，利用元件自发热进行高低温循环去进行长时间on/off切换开关的测试（限定在1000小时以内），而IOL所使用的是风冷式系统进行控温，使△Tj的数据大于100°C的Junction做循环，对于WBG组件功率日益增加趋势，IOL测试是相当重要的。
3. PCT/功率循环测试 （Power Cycling Test）：
   PCT测试设置和监控：属于大功率模块类型的测设，在DEKRA iST德凯宜特目前能做到800安安的循环测试，使用水冷式系统进行控温，并实时监控△Tj、TJmax以及Von/Ron的重要数据， 而由计算出的热组结构函数就能以非破坏方式得知产品可能发生异常的位置热阻的变化。
4. TC / 温度循环测试 （Temperature Cycling）：
   TC测试也是AEC定义裸晶需要进行的测试，在进行TC测试前必须先跟裸晶供应商确认封装方式。
5. GSS / 栅极开关应力测试 （Gate Switching Stress）：
   目前静态应力可能不足以反映典型的SiC MOSFET 应用条件。 所以提出了一种高温栅极开关测试-Gate Switching Stress，类似应用的交流开关条件下更真实的模拟电压漂移。
6. BDOL / 体二极管作寿命测试 （Body Diode Operating Life）：
   属于早期寿命失效测试，大多故障都发生在100小时以内，因此可以使用ELFR进行筛选。 执行BDOL测试时需要达到输出20A甚至更高的电流的要求，以至于无法使用风冷降温方式控温，因此可使用水凉菜系统方式进行控温，以达到符合组件作温度下的测试。
7. HAST / 高加速压力测试（Highly Accelerated Stress Test）& H3TRB / 高温高湿反向偏压测试（High Humidity High Temperature Reverse Bias）：
   由于高电压在高温高湿的环境下测试有电弧风险，因此要进行高电压测试时，建议使用H3TRB，而非HAST，可透过使用者和供应商双方同意后进行芯片测试。

AEC要求所有测试后的组件必须达到零失效（Zero Defect）的结果，为符合行驶人身安全的基本要求，大多数车厂均会要求车用离散半导体元件必须通过AEC Q101标准的验证。 因为是基本要求，所以也隐藏着更多实际应用时发生问题，目前在Q101的测试中也将定义更细节专用的测试条件及内容，例如：HTGB、HTRB的测试，若能达到即时（real-time）监控漏电状况，将更了解产品在过程中的问题，可更为深入且更有效率的降低研发时程。

宜特于2022年通过层层考核，成为AEC协会亚洲首家获认可的第三方实验室，未来将分享每年AEC会员大会取得的第一手资料，为各位快速更新AEC规范。

（二）AQG 324：

有别于第一点由美国AEC协会制订的规范，AQG指南由欧洲ECPE（European Center for Power Electronics）协会和包含来自汽车供应链的30多位行业代表负责制定。 现行AQG 324版本于2018年4月12日发布，主要针对基于硅（Si）的功率模块。 而未来也将推出涵盖WBG宽能隙功率半导体如碳化硅（SiC）及氮化镓（GaN）的相关内容。 AQG 324为针对车辆中的电力电子转换器单元功率模块的资格认证，由于这项标准贴近实际的使用状况，因此目前大部分电动车制造商更为关注功率模块是否符合此标准，简单来说车厂已经把AQG 324当作常规来定义。

针对车用功率模块 AQG 324 中定义SiC动态可靠度的测试方法有二：

1. Dynamic Reverse Bias （DRB）：
   如H3TRB（高温高湿反向偏压）是添加环境湿度的条件下增加动态偏压，以开关频率大于25K Hz进行验证。
2. Dynamic Gate Stress（DGS）：
   通过电压变化对栅极施加压力，致使宽能隙半导体中的 Vth 和 RDS(on)漂移，来验证模组的效率损失程度。

（三）ISO 16750：

ISO 16750这个标准主要针对道路车辆的环境条件和测试，涵盖电子设备在车辆使用过程中的环境耐受性测试，例如温度、湿度、振动和电气负载等。 针对道路车辆、电气和电子外围产品等实际的环境条件提供的指导标准，全名为道路车辆-电气和电子装备的环境条件及试验（Road vehicles—Environmental conditions and electrical testing for electrical and electronic equipment）。

针对WBG宽能隙半导体应用于电动车产品时所面临的趋势与挑战，国际规范ISO 16750已进行多次修订，其中2023年7月改版时，因应电动车DC/DC converter的产品特性，在电气环境的部分将电压频率由原燃油车规格20kHz提升到200kHz。 另外，也将电压提升至48V、Class B（60V~1500V）并定义水冷散热辅助系统，针对瞬断测试速度提高至10μs的高速要求。

此外，规范中也加入了符合电动车或混和动力车的机械应力条件，贴近车厂厂规需求的温度循环测试要求，以及更多元的湿度条件测试，以确保电动车组件在各种极端环境下的可靠性，种种更新看来已开始考量到电动车产业的特性。

除了上述三大国际车用规范，随着高速运算技术发展之下，无论是AI、CoWoS等功率模组都需要解决散热阻（Rth）的问题，而目前针对热阻的测试采用国际规范JEDEC 51-1的电性量测法（Electrical test method），分为四个量测步骤：

1. 寻找合适感测电流
2. 校正（K factor）
3. 功率转换/撷取
4. 结构分析

透过结构分析数据，可以得知元件每一层结构的热阻数值; 组件是由芯片、固金、基板、导热胶堆叠上去，时常透过TST、TCT或IOL的测试应力，来加速验证组件的可靠度，而测试后搭配热阻量测，可快速辨识组件封装内部的结构是否存在缺陷。 再者，热阻参数不仅能分析结构是否异常，还能融合电性参数运算出功率元件的安全工作区域SOA （Safe Operation Area）。 这些方法不仅能以非破坏式方式量测，减少样品损耗和时间成本，还能降低研发成本、缩短技术修正时程。