電動車技術的快速發展，800V電力系統逐漸成為主流，甚至還有大廠開出1200V的氮化鎵(GaN)功率晶片規格。隨著電壓與功率的提升，產品可靠度的挑戰也隨之增加。日益嚴格的驗證標準，如何滿足？繁雜的國際規範，又該如何掌握？是否有適用於高電壓高功率產品的完整驗證解決方案？
近期的市場趨勢顯示，燃油車、純電動車(BEV)與混合動力車(HEV)將在未來形成三分天下的局面，打破過去認為純電動車將全面取代燃油車的觀點。在技術方面，電動車正朝向更高電壓、高功率的方向發展，電力系統從400V升級至800V的趨勢日益明顯，甚至還有大廠開出1200V的氮化鎵GaN功率晶片規格。這種技術提升有助於降低電流、減輕車重，以提升電動車的續航里程。
在這樣的產業背景下，脫穎而出的WBG(Wide Band Gap)寬能隙半導體，憑藉其優異的高壓耐受性、高溫穩定性、低損耗以及高功率特性，廣泛應用於車用電子系統與電池能源等領域，尤其在提升充電速度與容量方面展現了巨大潛力，不僅快速推動元件技術的進步，還契合全球積極推動的節能減碳趨勢。
在寬能隙功率元件的直流電(DC)快速充電能力帶來新機會的同時，也對熱管理與可靠性測試提出了更高的技術要求。值得注意的是，現階段電動車所使用的功率元件數量是傳統燃油車的7~10 倍。因此，不論是元件效能、可靠度需求，還是行駛安全的標準，都使得產品的可靠度驗證與故障分析成為不可忽視的重點。如何應對日益嚴苛且快速更迭的測試規範與挑戰，甚至在因應的測試規範尚未更新之前，先行確保產品的品質，不僅是國際品牌車廠高度關注的議題，也成為有意進軍車用電子產業鏈的廠商必須投入資源關注的焦點。
本文將歸納出廠商在研發過程中最常遇到的兩大核心問題：
一、如何遵循相關的國際規範？
面對繁多的國際車用規範，功率元件測試究竟應該參考哪些標準？在技術快速演進的情況下，這些規範又有什麼最新發展動向值得關注？
二、符合高電壓與高功率產品驗證需求的解決方案？
隨著半導體晶片朝更高電壓與高功率的方向發展，傳統測試設備往往無法滿足需求。配合客戶的研發進程，提升相應的測試設備與技術成為必然趨勢。
本文將從「國際規範」與「驗證設備技術」兩個層面切入，分享如何在產品開發過程中，提早解決潛在問題，以提升市場競爭力，助力客戶在激烈的市場中脫穎而出。
功率元件常用三大國際規範
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本文的功率元件主題，各階段的產品都有類似問題。本文先聚焦分享功率元件最常用的三大國際規範。
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，以適應未來市場需求。以下介紹這三個國際間常參考的車用規範：
AEC-Q101
AEC Q101為美國汽車電子委員會(Automotive Electronics Council, AEC)推出的車電驗證標準之一聚焦於半導體離散元件的應力測試標準(圖1)。
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
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)間歇性操作壽命測試(IntermittentOperating Life, IOL)
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℃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
PCT(Pulse Cycling Test)測試設置和監控：屬於大功率模組類型的測試，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
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
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，類似應用的交流開關條件下更真實的模擬電壓漂移。
(6)BDOL(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/H3TRB
由於高電壓在高溫高濕的環境下測試有電弧風險，請使用H3TRB不建議使用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。
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多位產業代表負責制定。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(圖2)。
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。
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/DCconverter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。
確保WBG高電壓/高功率可靠度
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)功率元件/模組非破壞及破壞性精準異常分析
(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，廠商如宜特與德凱宜特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。整合先進設備與測試經驗，能滿足高功率、高電壓產品的驗證需求，包括：
高功率與高電壓驗證能力
高溫測試機台可達350°C，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。
多樣化測試能力
針對AEC-Q101或AQG 324等多項車用規範測試，宜特的解決方案，克服單一設備無法涵蓋所有測項的限制。
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。
順應全球積極推動的節能減碳潮流，WBG寬能隙半導體廠商如何在快速的技術變革中掌握最新的趨勢，以最有效率的方式驗證自身產品，提升可靠度水準，將是未來發展產品時所必須考量的關鍵重點。目前，SiC 1200V的產品在業界常以0.6~0.7倍的條件來使用，而未來技術則正朝向更高壓的3000V以上開發，應用於太陽能與風力等高壓產品之中。
(本文作者為德凱宜特資深經理)
