《碳化硅產(chǎn)品級別的質量認證》

1. 根據(jù)實際應用條件進行超越當前標準的測試

對分立器件和模塊，均按相關標準進行常規(guī)檢測，其中包括HTRB、H3TRB和HTGS。這些試驗對于技術的發(fā)布是必不可少的，結果被記錄在發(fā)布每種產(chǎn)品主頁上的PQR（產(chǎn)品合格報告）中。

為確保英飛凌新的CoolSiC MOSFET具有超越這些標準的運行可靠性，所有標準試驗一次至少進行3000h，以檢驗英飛凌的新技術在遠遠超出必要的標準條件時所具有的可靠性。在任何這些試驗中都未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的EoL機制，這表明英飛凌的CoolSiC MOSFET具有很高的可靠度。

近些年，許多應用開始要求器件具備超越標準H3TRB條件的濕度穩(wěn)定性。必須采取芯片級別的措施來防止功率器件因為濕度原因發(fā)生退化，且必須設計實驗來加快驗證這些措施的有效性。在IGBT模塊中可以看到在這些條件下的不同退化機制，如金屬腐蝕或枝晶生長。在標準的H3TRB質量認證試驗中，根據(jù)，是在T=85°C、相對濕度RH=85%及VDS=80V的條件下確保器件能夠不受這些失效機制的影響。

如前所述，這些試驗條件不足以確保所有應用在長期內(nèi)保持可靠。如果分析應用條件時發(fā)現(xiàn)存在極端惡劣的條件，則必須進行附加試驗。如今是在80%的最高漏源極電壓下進行濕度試驗（HV-H3TRB），以確保器件能夠長期可靠地運行。對于IGBT模塊，文獻指出進行1000h的這些試驗足以確保使用壽命達到25年。

由于SiC器件的終端尺寸變小——因為材料的阻斷能力更強，所以必須使用足夠可靠的特殊鈍化技術，它們不僅要能承受在這些試驗中使用的極端條件，還要能在實際應用中正常運行。為證明英飛凌的SiC芯片在整個生命周期中擁有可靠的性能，在對英飛凌的CoolSiC MOSFET進行質量認證時進行了H3TRB和HV-H3TRB。無論是在H3TRB還是在更具挑戰(zhàn)性的HV-H3TRB試驗中，都未發(fā)現(xiàn)退化機制。例如，在HV-H3TRB試驗之前和之后的I-V曲線顯示在圖24中。

漏電流的增長不超過1uA。在圖24右側顯示的漏電流監(jiān)測中也可以看到這一點，它通常也被用作表明開始退化的指標。由于漏電流不隨應力增大，所以器件顯然沒有顯示出在應力下開始退化的跡象。為了找出英飛凌SiC器件潛在的新失效機制，利用由300顆芯片組成的大統(tǒng)計樣本進行最長達到3000h的試驗，其中沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的EoL機制。如果用Si芯片的資料推算的話，則有超過75年的安全現(xiàn)場運行時間。

此外，我們還在脈沖高壓濕度條件（PHV-H3TRB或動態(tài)HTRB）下檢驗了我們的器件，其中沒有發(fā)現(xiàn)退化跡象。由于HV-H3TRB所用的固定電壓更高，因而被視為更嚴苛的試驗，所以在產(chǎn)品發(fā)布前沒必要進行PHV-H3TRB。

圖24.左圖顯示的是施加應力之前（藍色）和之后（綠色）的漏電流。右圖顯示的是在施加應力期間實測的漏電流。

表1總結了英飛凌對含有SiC MOSFET的功率模塊進行的所有長期可靠性試驗。通過在更長時間內(nèi)進行這些試驗，英飛凌已經(jīng)證明，我們新的CoolSiC MOSFET在表1所示的試驗條件下未被觸發(fā)出未知的失效模式。為保證在現(xiàn)場條件下能夠可靠地運行，驗證的應力時間結合嚴格的通過/失效標準足以滿足要求。

對于采用分立器件進行的可靠性試驗，高運行溫度或模壓化合物可能對器件在應力作用下的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生額外的影響。因此，進行了許多超越標準條件（如JEDEC或AEC指南）的應力試驗。特別要提到的是，動態(tài)應力試驗很重要，因為它們可能觸發(fā)在遵循標準的靜態(tài)試驗中觀察不到的失效機制。例如，給柵極氧化層施加負柵-源極電壓應力的HTRB，或者給終端施加應力的高dv/dt試驗，在施加應力之后未能顯示出對器件性能的任何顯著影響。試驗結果表明，CoolSiC MOSFET技術對溫度、電壓、濕度和動態(tài)應力都有很好的耐受性。下列表2總結了對采用TO247封裝的CoolSiC MOSFET進行的試驗。

表2.采用TO247封裝的、1200V電壓等級的CoolSiC MOSFET進行的可靠性試驗。在所有試驗中都未發(fā)現(xiàn)任何系統(tǒng)的壽命終期失效機制。

2. AC-HTC試驗方法

根據(jù)文獻中的報告，SiC器件甚至還有無法通過（擴展）標準試驗觸發(fā)的額外失效機制。它們與SiC的特殊材料屬性和特定應用條件有關。

圖25.AC-HTC試驗周期的系統(tǒng)應力條件。

相比在Ta=85°C/rH=85%條件下進行的標準試驗是為了防止在實際芯片表面出現(xiàn)冷凝，AC-HTC試驗則是引發(fā)冷凝，并通過在終端接區(qū)形成冷凝水層觸發(fā)額外的、與應用有關的失效模式。根據(jù)文獻中的報告，這些失效模式對于SiC器件有非常重要的意義。英飛凌的SiC器件可以抵抗這種新的、與材料有關的失效模式。這一點可以通過進行并成功通過AC-HTC試驗（交流-濕度和溫度循環(huán)）來證明，該試驗是與應用專家緊密合作開發(fā)出的，能夠模擬光伏系統(tǒng)應用的運行模式。系統(tǒng)的應力條件顯示在圖25中。持續(xù)數(shù)小時的試驗周期可以分成兩個不同的階段：

a)Ta<0°C：低溫、高濕度，導致芯片表面出現(xiàn)冷凝水，模塊中的濕度很大。為防止發(fā)生自加熱進而導致冷凝水變干，在本階段不施加電壓。

b)Ta>0°C：當溫度上升到最高85°C時，以類似于在實際應用中使用的較高頻率和電壓打開處于應力條件下的器件。

如果終端區(qū)的鈍化處理不夠充分，則終端將出現(xiàn)退化，導致在試驗期間和實際應用中過早失效。處于模塊中的所有SiC器件因此都配備有新的疊層鈍化膜，用于在這些惡劣的條件下保護器件表面，并成功通過持續(xù)120天的AC-HTC試驗，而不出現(xiàn)任何明顯的退化。

總之，對于英飛凌的SiC二極管，當采用的鈍化處理、終端概念和失效率都與Si技術相當時，長時間的HV-H3TRB、AC-HTC試驗結果和多年的現(xiàn)場經(jīng)驗都能證明，我們的CoolSiC MOSFET在濕度高且惡劣的現(xiàn)場環(huán)境條件下也是可靠的器件。

3. 秒級功率循環(huán)試驗

在計算半導體器件在實際應用中的預期使用壽命時，必須考慮到內(nèi)部連接技術的老化。這需要通過秒級功率循環(huán)試驗進行評估，其中，器件被主動加熱使得溫度變化ΔT較大，能夠改變焊接和/或鍵合連接，直至RDS（on）或Rth（j-c）達到預定的變化，也就是所謂的壽命終期（EoL）標準?；诠J的模型，這些結果可與應用條件關聯(lián)起來，正如英飛凌應用說明中所述利用Si器件進行的試驗。

從原則上講，SiC模塊也是經(jīng)歷這個過程。但因為SiC擁有的楊氏模量比Si更大，所以位于功率模塊中的SiC芯片在溫度循環(huán)期間會在焊接點中誘發(fā)更大數(shù)量的塑性應變。因此，在位于模塊中焊接的SiC芯片的老化機制中，鍵合連接退化并無很大的影響，影響最大的是焊接層退化，它會導致Rth增大。正是因為這個原因，SiC的秒級功率循環(huán)能力才比采用相同互連技術的Si更低。

功率循環(huán)曲線（可從您本地的英飛凌應用工程團隊獲?。┛紤]了這一改變的老化機制，使得能夠按照功率循環(huán)應用說明中的解釋，根據(jù)最高結溫Tvj和溫度變化ΔT來計算預期使用壽命。為估算完整的應用條件，還必須考慮到老化與負載脈沖持續(xù)時間ton的關系。在我們最近發(fā)表的文章中有講到這一關系，其中表明，我們的SiC器件可以使用與Si相同的計算模型。圖26中還給出了直至壽命終止的循環(huán)與負載脈沖持續(xù)時間的關系。

圖26.CIPS模型（橙色）在參考導通時間ton=1.5s時的N次循環(huán)超時、以及自適應的包含飽和的模型（藍色）的關聯(lián)因子。

圓點所代表的數(shù)值是推算得到的，只應用作參考。

所有SiC技術所用的互連技術和生產(chǎn)線，都與我們在控制這些工藝和模塊組裝方面積累了幾十年經(jīng)驗的英飛凌Si IGBT和二極管相同。英飛凌CoolSiC MOSFET技術的另一個優(yōu)勢是，我們無需使用額外的反向并聯(lián)二極管，而能夠在同步整流模式下使用CoolSiC MOSFET的體二極管。這能打造出具備以下優(yōu)勢的應用：器件沿兩個方向傳送電流，芯片在一個負載周期的正和負傳導階段都能產(chǎn)生功率，從而使得每顆芯片相比使用Si IGBT和二極管時的溫度變化減小。

對于在壽命終期之前在功率循環(huán)中需要更多次循環(huán)的應用，英飛凌也已改進分立器件的互連技術，如擴散焊，這在未來如果加以利用，將能讓我們的CoolSiC MOSFET能被用到其他應用中。

針對分立器件的功率循環(huán)研究仍然是個處于初期的研究領域。因此，英飛凌近年來進行了更深入的研究，以了解在功率循環(huán)應力期間發(fā)生的失效機制。一個重要發(fā)現(xiàn)是，與功率模塊不同，在分立器件中，只要裸片連接是通過傳統(tǒng)的焊接法完成的，則脫線是目前最主要的失效模式。為了對退化的相關參數(shù)進行數(shù)學描述，得出一個與功率模塊所用公式類似的公式。無論是采用哪種芯片技術（Si IGBT或SiC MOSFET），分立器件都能用同樣的公式來描述。許多器件特性對功率循環(huán)穩(wěn)定性都有影響，所以沒有哪一個參數(shù)集能夠籠統(tǒng)地描述所有產(chǎn)品。根據(jù)器件特性，可能有必要使用單獨的參數(shù)集。如欲了解某一個器件的功率循環(huán)能力，請向您本地的英飛凌應用工程師發(fā)出申請，他能幫您評估預期使用壽命。

SiC MOSFET的應用領域非常廣泛，包括電動車充電站、太陽能逆變器或電機驅動等。大多數(shù)應用都可以簡化為一些基本拓撲，它們有助于確定長期應用試驗。下表列出了最主要的基本拓撲。

▼基本拓撲概覽

主要關注的是硬開關配置，因為它們通常是對功率半導體要求最高的。英飛凌已經(jīng)開發(fā)出許多試驗臺，它們可對采用上述每種配置的SiC MOSFET施加應力。這些試驗臺使我們能夠在效仿現(xiàn)實應用的條件下運行。為了更好地了解長期行為，可靠性試驗的持續(xù)時間從典型的1000h延長至運行6–12月。研究表明，在這些實際運行條件下，SiC MOSFET未顯示出熱載流子注入跡象，也未顯示出系統(tǒng)的EOL失效機制。

責任編輯：xj

原文標題：SiC MOSFET產(chǎn)品質量認證與壽命評估方法

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