車用功率元件高電壓時代來襲！兩大面向確保WBG可靠度

通常宜特實驗室面臨到最多的問題就是，國際標準這麼多，有公規也有客規，究竟產品應該符合哪些標準才能確保下游客戶買單？其實，這種情況不只存在於今天要分享的功率元件主題，各階段的產品都有類似問題。本篇小學堂先聚焦分享功率元件最常用的三大國際規範，若對於其他晶片和模組的規範有問題，也歡迎來信跟我們聯繫（閱讀更多：車電零組件可靠度驗證(AEC-Q)、進入電動車供應鏈必備-國際可靠度品質車規五步驟一次解析）。

功率元件最常用的國際規範如AEC-Q101、AQG324、ISO 16750，隨著技術演進不斷滾動更新中。這些標準的修訂將針對WBG寬能隙半導體技術的特性進行擴展或修改，甚至可能制定新的獨立文件，以更好地適應未來市場需求。以下為您一一介紹這三個國際間常參考的車用規範：

（一）AEC Q101：

AEC Q101為美國汽車電子委員會 (Automotive Electronics Council，簡稱AEC) 推出的車電驗證標準之一（閱讀更多：AEC-Q系列規範）聚焦於半導體離散元件的應力測試標準。

2024 AEC在美國底特律舉辦的會員大會(Workshop)，議程中提及由於WBG的使用方式與矽(SiC)不同，需要不同的應力條件；但目前AEC-Q101中的測試要求，並未充分涵蓋WBG寬能隙半導體，因此AEC預計將擴展和修改Q101規範或是另外建立新的獨立文件。議程中討論了關於WBG寬能隙半導體重要的七個可能會改版要點：HV H3TRB、IOL、PCT、TC、GSS、BDOL、HAST/H3TRB。分列如下：

1. HV H3TRB / 高電壓高溫高濕反向偏壓測試（High Voltage High Humidity High Temperature Reverse Bias）：
   2024年AEC協會定義出HV H3TRB的內容，並且取消AEC-Q101中測試電壓最大100V的限制，因此未來實驗室在高溫高濕條件下能夠使用更高的電壓測試。
2. IOL / 間歇性操作壽命測試（Intermittent Operating Life）：
   IOL為AEC特別定義裸晶需要進行的測試，利用元件自發熱進行高低溫循環去進行長時間on/off切換開關的測試(限定在1000小時以內)，而IOL所使用的是風冷式系統進行控溫，使△Tj的數據大於100°C的Junction做循環，對於WBG元件功率日益增加趨勢，IOL測試是相當重要的。
3. PCT／功率循環測試 (Power Cycling Test)：
   PCT測試設置和監控：屬於大功率模組類型的測設，在DEKRA iST德凱宜特目前能做到800安培的循環測試，使用水冷式系統進行控溫，並即時監控△Tj、TJmax以及Von/Ron的重要數據，而由計算出的熱組結構函數就能以非破壞方式得知產品可能發生異常的位置熱阻的變化。
4. TC / 溫度循環測試 (Temperature Cycling)：
   TC測試也是AEC定義裸晶需要進行的測試，在進行TC測試前必須先跟裸晶供應商確認封裝方式。
5. GSS / 柵極開關應力測試 (Gate Switching Stress)：
   目前靜態應力可能不足以反映典型的SiC MOSFET 應用條件。所以提出了一種高溫閘極開關測試-Gate Switching Stress，類似應用的交流開關條件下更真實的模擬電壓漂移。
6. BDOL / 體二極體操作壽命測試 (Body Diode Operating Life)：
   屬於早期壽命失效測試，大多故障都發生在100小時以內，因此可以使用ELFR進行篩選。執行BDOL測試時需要達到輸出20A甚至更高的電流的要求，以至於無法使用風冷降溫方式控溫，因此可使用水冷盤系統方式進行控溫，以達到符合元件操作溫度下的測試。
7. HAST / 高加速壓力測試（Highly Accelerated Stress Test）& H3TRB / 高溫高濕反向偏壓測試（High Humidity High Temperature Reverse Bias）：
   由於高電壓在高溫高濕的環境下測試有電弧風險，因此要進行高電壓測試時，建議使用H3TRB，而非HAST，可透過使用者和供應商雙方同意後進行晶片測試。

AEC要求所有測試後的元件必須達到零失效(Zero Defect)的結果，為符合行駛人身安全的基本要求，大多數車廠均會要求車用離散半導體元件必須通過AEC Q101標準的驗證。因為是基本要求，所以也隱藏著更多實際應用時發生問題，目前在Q101的測試中也將定義更細節專用的測試條件及內容，例如:HTGB、HTRB的測試，若能達到即時(real-time)監控漏電狀況，將更了解產品在過程中的問題，可更為深入且更有效率的降低研發時程。

宜特於2022年通過層層考核，成為AEC協會亞洲首家獲認可的第三方實驗室，未來將分享每年AEC會員大會取得的第一手資料，為各位快速更新AEC規範。

（二）AQG 324：

有別於第一點由美國AEC協會制訂的規範，AQG指南由歐洲ECPE(European Center for Power Electronics)協會和包含來自汽車供應鏈的30多位行業代表負責制定。現行AQG 324版本於2018年4月12日發布，主要針對基於矽(Si)的功率模組。而未來也將推出涵蓋WBG寬能隙功率半導體如碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN)的相關內容。AQG 324為針對車輛中的電力電子轉換器單元功率模組的資格認證，由於這項標準貼近實際的使用狀況，因此目前大部分電動車製造商更為關注功率模組是否符合此標準，簡單來說車廠已經把AQG 324當作常規來定義。

針對車用功率模組 AQG 324中定義SiC動態可靠度的測試方法有二：

1. Dynamic Reverse Bias (DRB)：
   如H3TRB(高溫高溼反向偏壓)是添加環境濕度的條件下增加動態偏壓，以開關頻率大於25K Hz進行驗證。
2. Dynamic Gate Stress(DGS)：
   透過電壓變化對閘極施加壓力，致使寬能隙半導體中的 Vth 和 RDS_(on)漂移，來驗證模組的效率損失程度。

（三）ISO 16750：

ISO 16750這個標準主要針對道路車輛的環境條件和測試，涵蓋電子設備在車輛使用過程中的環境耐受性測試，例如溫度、濕度、振動和電氣負載等。針對道路車輛、電氣和電子週邊產品等實際的環境條件提供的指導標準，全名為道路車輛-電氣和電子裝備的環境條件及試驗(Road vehicles—Environmental conditions and electrical testing for electrical and electronic equipment)。

針對WBG寬能隙半導體應用於電動車產品時所面臨的趨勢與挑戰，國際規範ISO 16750已進行多次修訂，其中2023年7月改版時，因應電動車DC/DC converter的產品特性，在電氣環境的部分將電壓頻率由原燃油車規格20kHz提升到200kHz。另外，也將電壓提升至48V、Class B(60V~1500V)並定義水冷散熱輔助系統，針對瞬斷測試速度提高至10μs的高速要求。

此外，規範中也加入了符合電動車或混和動力車的機械應力條件，貼近車廠廠規需求的溫度循環測試要求，以及更多元的濕度條件測試，以確保電動車元件在各種極端環境下的可靠性，種種更新看來已開始考量到電動車產業的特性。

除了上述三大國際車用規範，隨著高速運算技術發展之下，無論是AI、CoWoS等功率模組都需要解決散熱阻(Rth)的問題，而目前針對熱阻的測試採用國際規範JEDEC 51-1的電性量測法 (Electrical test method)，分為四個量測步驟：

1. 尋找合適感測電流
2. 校正(K factor)
3. 功率轉換/擷取
4. 結構分析

透過結構分析數據，可以得知元件每一層結構的熱阻數值；元件是由晶片、固金、基板、導熱膠堆疊上去，時常透過TST、TCT或IOL的測試應力，來加速驗證元件的可靠度，而測試後搭配熱阻量測，可快速辨識元件封裝內部的結構是否存在缺陷。再者，熱阻參數不僅能分析結構是否異常，還能融合電性參數運算出功率元件的安全工作區域SOA (Safe Operation Area)。這些方法不僅能以非破壞式方式量測，減少樣品損耗和時間成本，還能降低研發成本、縮短技術修正時程。

展望新興能源的發展趨勢，WBG寬能隙半導體的市場應用將越來越廣泛，如全球持續推動太陽能、風力發電、智慧儲能與電網三大綠能供應鏈等，如何確保產品的高可靠度水準五大關注方向：

1. 從材料、晶片到模組組裝的垂直整合型生產模式
2. 區分元件類、模組類之車用國際規範，通過可靠度驗證，加快量產歷程
3. 針對功率元件／模組，精準進行非破壞及破壞性異常分析
4. 模組封裝技術發展與散熱經驗的累積
5. 靜態量測與動態量測設備選擇及量測實驗室能力比對

針對這些挑戰，專業的驗證分析實驗室可憑藉豐富的經驗與先進設備，提供完整的測試與驗證解決方案，助力新興能源與高功率元件的可靠性驗證，全面滿足高功率、高電壓產品的驗證需求，包括：

(一) 高功率與高電壓驗證能力：

我們擁有多台可達 350°C 的高溫測試機台，並配備氮氣供應系統，有效防止元件在高溫環境下氧化，適用於第三類半導體（如 SiC 和 GaN）的測試需求。

(二)多樣化測試能力：

針對 AEC-Q101 或 AQG 324 等多項車用規範測試，宜特提供靈活且全面的解決方案，克服單一設備無法涵蓋所有測項的限制。

(三)即時參數監控與模擬測試：

透過事前模擬測試，確保產品在組裝與實際測試階段的可靠性，降低失敗風險。