Fiabilité des Composants et Systèmes Electroniques Hyperfréquences. Aspects fiabilité de la qualification de la technologie GaN 0.

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1 Fiabilité des Composants et Systèmes Electroniques Hyperfréquences Aspects fiabilité de la qualification de la technologie GaN 0.25µm d UMS Laurent Brunel 01/04/2015

2 Plan Introduction Pourquoi le GaN? Effets parasites et mécanismes de dégradation Qualification d une nouvelle technologie La technologie GH25-10 Qualification de la technologie GH25-10 Conclusions Date / Ref doc 2

3 Introduction Pourquoi le GaN? Amélioration des circuits GaAs GaN GaAs Si SiC Energie de bande interdite (ev) Champ de claquage (V/cm) 5x10 6 4x10 5 3x10 5 3x10 6 Vitesse de saturation maximale des électrons (cm/s) 2.6x10 7 2x10 7 1x x10 7 Mobilité des électrons (cm².v -1.s -1 ) Qualités du GaN sur SiC Conductivité thermique (W.cm -1. K -1 ) GaN sur substrat SiC Circuit AlGaN/GaN Conductivité thermique élevée Densité de puissance élevée Champ de claquage élevé Tension élevée Mobilité électronique élevée Fréquence élevée Date / Ref doc 3

4 Introduction Effets parasites et mécanismes de dégradation Effets parasites Mécanismes de dégradation Généralement observés sur des composants non vieillis Limitation des performances électriques Observés sur des composants vieillis Dégradation des performances électriques Pas d impact sur la fiabilité Impact important sur la fiabilité Mécanismes de dégradation Effets de piégeage 2 & 3 Activés thermiquement 5, 6, 7 & 8 Effet piézoélectrique 1 & 4 Meneghesso et al. Reliability issues of Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors, International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 2010 Date / Ref doc 4

5 Introduction Qualification d une nouvelle technologie Objectif Définition d une aire de sécurité de fonctionnement garantissant une durée de vie Limites de fonctionnement Courant / Tension / Température Composants actifs et passifs Mécanismes de fin de vie Essais de vieillissement accélérés Evaluation de la durée de vie (t 50 ) Taux de défaillances aléatoires Accumulation d heure-composants Evaluation du taux de défaillances (λ 0 ) I λ(t) Défaillances précoces Sélection des pièces Mesures électriques & inspection optique I max Puissance maximale Défaillances précoces Vie utile Fin de vie Aire de sécurité de λ 0 = 1/MTTF t 50 V max V 10 à 25 ans t Date / Ref doc 5

6 Plan Introduction La technologie GH25-10 Qualification de la technologie GH25-10 Conclusions Date / Ref doc 6

7 La technologie GH25-10 AlGaN GaN Field plate air Air bridge Gate Gate Source Drain Source air Field plate SiN Applications Circuits microondes de forte puissance 8 GHz à 20GHz Marchés Défense : brouilleurs, récepteurs SiC Caractéristiques X band HPA P sat = DS = 30V Lg = 0.25µm Substrat SiC 4 Epitaxie AlGaN/GaN (non dopée) Grille en forme de T Plateau de champ connecté à la source Passivation SiN Ponts à air entre les contacts de source Paramètres Min. Max. GH25-10 IDS+ [ma/mm] Gmmax [ms/mm] Vg100 [V] Idl 10V IdlHV 50V Densité de puissance 30V Date / Ref doc 7

8 Plan Introduction La technologie GH25-10 Qualification de la technologie GH25-10 Méthodologie Structures de test Considérations thermiques Critères de défaillances Evaluation des limites de fonctionnement Identification des mécanismes de fin de vie (t 50 ) Evaluation du taux de défaillances aléatoires (1/MTTF) Conclusions Date / Ref doc 8

9 Qualification de la technologie GH25-10 Méthodologie Normes MIL / ESA / JEDEC Plan de qualification Limites de fonctionnement DC & RF stress test Environnement Stockage Cycle thermique Mécanismes de fin de vie (t 50 ) HTOL HTRB Taux de défaillances aléatoires (MTTF) DCLT RFLT Humidité Objectif t 50 = 20 C Date / Ref doc 9

10 Qualification de la technologie GH25-10 Structures de test Technological Characterization Vehicles (TCV) Dynamic Equivalent Circuit (DEC) TLM Inductance Diodes Representative Integrated Circuit (RIC) Lignes métalliques Transistor Résistances Date / Ref doc 10

11 Qualification de la technologie GH25-10 Considérations thermiques Figures de mérites en fiabilité Energie d activation (Ea) Temps médian (t 50 ) T Taux de défaillances (1/MTTF) j?? Caractérisation thermique Infrarouge Surface du composant Raman Volume GaN, SiC Calibration du modèle thermique Simulation physique 2D Simulation thermique 3D T jmax Date / Ref doc 11

12 Qualification de la technologie GH25-10 Critères de défaillances Test de vieillissement Conditions électriques V, I Conditions environnementales T, H % Paramètres des transistors Critères de défaillance IDSS - 20% Gm@IDSS - 20% VBDS - 20% Suivi des conditions de test et des performances «Monitoring» Contrôle continu I, V, T Mesure de reprise Contrôle périodique Paramètres Courant de fuite (V DS =30V, V GS =-7V) Gain linéaire Gain à PAEmax Paramètres des éléments passifs +1 décade -1dB - 1dB Critères de défaillance > 50% de défaillance Résistance - R / Rcontact ± 20% Lignes métalliques - R / Rcontact ± 20% Fin du test Inductances - R / Rcontact ± 20% Capacité MIM Destruction Date / Ref doc 12

13 Qualification de la technologie GH25-10 Evaluation des limites de fonctionnement Transistors Tests RF par pas croissant Paramètres Valeurs Température 85 C VDS Id (sans RF) Fréquence Pin Durée du cycle 30V + 2.5V/cycle 150mA Limites de = 10GHz PAEmax, +1dBm, +2dBm 150 ma 24h Topologie VDSmax Pinmax GD = 1.7µm GD = 2.7µm 45V 55V PAEmax + 2dBm PAEmax + 2dBm Date / Ref doc 13 Résistances TaN P destruction [mw/µm²] Forte dépendance de la surface Capacités MIM Imax = 3.5mA/µm Faible dépendance de la surface Time [hrs] 1E+6 1E+5 1E+4 1E+3 1E+2 1E+1 Surface [µm²] Vcst at 175 C P_57-2R P_51-4R Vmax = 80V P_51-3R C P_40-3R P_37-5R P_37-4R P_37-2R P_36-5R P_36-4R P_36-2R F_03-3R F_03-2R 1E Voltage [V]

14 Qualification de la technologie GH25-10 Identification des mécanismes de fin de vie (t 50 ) Mécanismes de fin de vie Test de type HTOL «High Temperature Operating Life» Conditions électriques V DS = 30V, Id = 180mA/mm Conditions environnementales 320 C < Tj < 345 C Composants 50 DECs Dégradation du paramètre IDSS Origine physique inconnue Dérive < 20% Mécanismes de dégradation Robustesse de la grille Test de type HRTB «High Temperature Reverse Bias» Conditions électriques V GS = -7V, V DS = 50V Conditions environnementales T = 175 C Composants 30 DECs Pas de défaillance après 4000h Estimation de t C t 50 [h] 360 C 250 C 200 C 175 C 1E+07 5% de dérive 15% de dérive 1E+06 Tj = 335 C Tj = 335 C 1E+05 1E+04 1E+03 15% 10% 5% Ea = 1.82eV (GH50) Ea = 1.5eV (Littérature) Ea = 1eV (pire cas) t C > 20 ans t 50 = 1456h t 50 = 6029h 1E /k b.t[1/ev] Date / Ref doc 14

15 Qualification de la technologie GH25-10 Evaluation du taux de défaillances aléatoires Objectif Accumulation d heure-composants Test de type «DC Life Test» V DS = 30V, Id = 150mA/mm 210 C < Tj < 250 C 57 DECs / 18 RICs Test de type «RF Life Test» V DS = 30V, Id = 150mA/mm, PAEmax 120 C < Tj < 230 C 12 DECs RIC - XBAND HPA 15W 8000h de test Ids@VGS=1V & VDS=10V Pout@Pin=27dBm & 9.5GHz 7000h de test 87 composants > heure-composants Taux de défaillances aléatoires (1/MTTF) 107 C / Ea = 1.5eV 4 C / Ea = 1.5eV (pour le spatial) Date / Ref doc 15

16 Plan Introduction La technologie GH25-10 Qualification de la technologie GH25-10 Conclusions Date / Ref doc 16

17 Conclusions Synthèse Résultats des tests RF par pas croissant GD = 1.7µm / PAEmax +2dBm GD = 2.7µm / PAEmax +2dBm Robustesse de la grille Pas de défaillance après 4000h de tests de type HTRB Taux de défaillances aléatoires 107 FIT@200 C / Ea = 1.5eV Tests toujours en cours Fin de vie t 50 > 20 C (Ea non extrait) Qualification de la technologie GH25-10 réussie Date / Ref doc 17

18 Conclusions La qualification de GH25-10 en chiffre 6 lots 11 wafers 40 essais 420 composants heures d essais d heure-composants Date / Ref doc 18

19 Fiabilité des Composants et Systèmes Electroniques Hyperfréquences Merci de votre attention! ReAGAN Questions?