Characterization Process of Junction Temperature and Thermal Impedance in GaN E-mode and D-mode HEMT Power Modules under Cycling

Abstract

이산화탄소 배출에 대한 세계적인 규제가 강화되고 연비의 중요성이 급격히 높아지면서 다양한 산업에서의 전장화는 필수적인 이슈가 되었으며 특히, 자 동차 시장에서 전력 반도체에 대한 관심이 높아지고 있다. 최근, 가전 제품이 나 신재생 에너지와 같은 다양한 산업에서 각광받고 있는 와이드 밴드갭 소자 에 대한 수요가 증가하고 있는데, 이는 해당 소자들이 넓은 밴드갭, 높은 파괴 전압, 높은 전자이동성, 그리고 높은 열전도율을 가지고 있기 때문에 효율과 전력 밀도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 실리콘 카바이드 또는 질화 갈륨과 같 은 와이드 밴드갭 소자의 다양한 이점에도 불구하고 열적 신뢰성 문제는 여전 히 남아 있다. 그러므로, 파워 모듈에서 열적 신뢰성의 주요 지표인 정션 온도 를 정확히 측정하는 것이 중요하다. 그동안, 최대 정션 온도와 열 임피던스는 주로 온도 민감 매개변수들에 의해 추정되고 계산되었다. 그러나, 질화 갈륨 고전자 이동성 트랜지스터는 전기적 특성이 다이나믹하게 변동하기 때문에 기 존의 추정 방식을 활용하는데 어려움이 있다. 게다가, 질화 갈륨 전력 소자의 주요 분류인 강화모드와 공핍모드 둘 다에 대한 적용 가능성을 고려할 필요가 있다. 본 연구는 질화갈륨 기반 모듈들을 위한 다이나믹 온도 추정 캘리브레이션 을 활용하는 새로운 방법과 프로세스를 제안한다. 제안한 방법은 소자를 제외 하고 동일한 방식으로 설계된 강화 모드와 공핍모드에서 입증되었다. 설계된 모듈들은 ANSYS Q3D 및 Mechanical에 의해 수행된 반복적인 전기-열 연성 해 석을 사용하여 평가되었다. 제안하는 캘리브레이션 방법은 정상 상태와 동적 상태을 포함한다. 정상 상태 캘리브레이션은 초기 정션 온도를 추정하기 위해 실리콘 반도체에서 적용하는 기존 방법과 동일하다. 반면에, 작동 상황에서의 질화 갈륨 소자의 특성에 의해 동적 상태 캘리브레이션은 고려되어야 한다. 따라서, 동적 캘리브레이션을 위해 파워 사이클링 테스트가 적용되었다. 다양 한 조건에서 실험이 진행되었고 결과들은 선형 회귀 방정식을 추출하기 위해 활용되었다. 정상 및 동적 상태 캘리브레이션 데이터를 통합하여 새로운 통합 방정식을 도출해냈고 이는 열 광섬유 센서로 검증되었다. 제안된 온도 추정을 위한 캘리브레이션 프로세스는 질화 갈륨 강화모드와 공핍모드 파워 모듈의 최대 정션온도를 정확히 추정할 수 있다. 따라서, 제안된 방법은 파워 모듈의 열적 특성을 모니터링하기 위한 결정적인 해결책이 될 것으로 기대된다.|Owing to the advancement in the global regulation for carbon dioxide emission and the increasing importance of fuel efficiency, electrification has become an essential issue in various industries. In particular, the automobile industry has shown much interested in power semiconductors. Recently, the demand for wide-bandgap (WBG) devices, which are in spotlight in industries such as customer electronics and renewable energy, is increasing, considering they can improve efficiency and power density owing to wide bandgap and high breakdown voltage, high saturation velocity, high electron mobility, and high thermal conductivity. However, despite these advantages, thermal reliability problems still persist in WBG devices such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). Therefore, it is important to accurately estimate the junction temperature, which is a key indicator of the thermal reliability in the power modules. Meanwhile, the maximum junction temperature and the thermal impedance are mainly estimated and calculated by temperature sensitive parameters (TSPs). However, typical TSP methods have difficulties in being utilized for GaN high electron mobility transistor (HEMT) power modules because their electrical characteristics dynamically fluctuate. Additionally, it is needed to consider the applicability to both enhanced mode (E-mode) HEMT and depletion mode (D-mode) HEMT, which are two major classifications of current GaN power devices. This study proposes a novel method and process enabling dynamic TSP calibration for the GaN-based power modules. The proposed method was demonstrated for E-mode and D-mode GaN HEMT power modules, which were designed to be the same except for the devices. The designed power modules were evaluated using iterative electrical-thermal coupled simulation conducted by ANSYS Q3D and Mechanical software. The proposed calibration method incorporates both steady state and dynamic state calibrations. The steady state calibration is same as the conventional method in silicon semiconductor for estimating the initial junction temperature. Conversely, the dynamic state calibration should be considered owing to the GaN HEMT characteristics in the operating conditions. Therefore, power cycling test is applied for dynamic calibration. Various conditions were examined, and the results were used to extract linear regression equations. For integrating steady and dynamic state calibration data, newly interpolation equation was developed and verified using thermal optical fibers. The proposed calibration process for temperature estimation can help accurately estimate the maximum junction temperature of the GaN E- mode and D-mode power modules. Therefore, the proposed method can be a critical solution for monitoring thermal characteristics of power modules.