傾佳電子（Changer Tech）致力于國產(chǎn)碳化硅（SiC）MOSFET功率器件在電力電子市場的推廣！Changer Tech-Authorized Distributor of BASiC Semiconductor which committed to the promotion of BASiC™ silicon carbide (SiC) MOSFET power devices in the power electronics market!

 

引     言

 

SiC碳化硅功率器件可靠性，是指產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)和條件下完成規(guī)定功能的能力，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，如果在規(guī)定時間內(nèi)和條件下產(chǎn)品失去了規(guī)定的功能，則稱之為產(chǎn)品失效或出現(xiàn)了故障?？煽啃詼y試項(xiàng)目的科學(xué)性、合理性，抽樣和試驗(yàn)的規(guī)范性以及嚴(yán)謹(jǐn)性，對產(chǎn)品的環(huán)境壽命和質(zhì)量水平的評估、研發(fā)的改進(jìn)升級、產(chǎn)品迭代以及客戶導(dǎo)入和應(yīng)用評估至關(guān)重要。

 

 

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基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件產(chǎn)品環(huán)境和壽命可靠性主要測試項(xiàng)目、條件及抽樣和接收標(biāo)準(zhǔn)

 

基本™（BASiC Semiconductor）器件環(huán)境和壽命可靠性測試項(xiàng)目是根據(jù)不同產(chǎn)品類型、材料特性及客戶潛在的應(yīng)用環(huán)境等，并參考國內(nèi)外權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)（AEC-Q101、AQG324等），制定符合公司以及滿足客戶需求的測試項(xiàng)目和條件。目前公司器件環(huán)境和壽命主要可靠性測試項(xiàng)目包括HTRB、HTGB（MOSFET和IGBT）、HV-H3TRB、TC、AC、IOL等，試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測試和物理外觀確認(rèn)，并按照車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q101的要求，每個可靠性項(xiàng)目都需要不同的3個批次，每個批次77pcs器件零失效通過測試，即表示該試驗(yàn)通過。

 

 

 

 

 

01   HTRB 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

 

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HTRB（High Temperature Reverse Bias）主要用于驗(yàn)證長期穩(wěn)定情況下芯片的漏電流，考驗(yàn)對象是邊緣結(jié)構(gòu)和鈍化層的弱點(diǎn)或退化效應(yīng)。

 

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HTRB是分立器件可靠性最重要的一個試驗(yàn)項(xiàng)目，其目的是暴露跟時間、應(yīng)力相關(guān)的缺陷，這些缺陷通常是鈍化層的可移動離子或溫度驅(qū)動的雜質(zhì)。半導(dǎo)體器件對雜質(zhì)高度敏感，雜質(zhì)在強(qiáng)電場作用下會呈現(xiàn)加速移動或擴(kuò)散現(xiàn)象，最終將擴(kuò)散至半導(dǎo)體內(nèi)部導(dǎo)致失效。同樣的晶片表面鈍化層損壞后，雜質(zhì)可能遷移到晶片內(nèi)部導(dǎo)致失效。HTRB試驗(yàn)可以使這些失效加速呈現(xiàn)，排查出異常器件。

 

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

 

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在測試中，需持續(xù)監(jiān)測碳化硅MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。

 

02   HTGB 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

 

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HTGB（High Temperature Gate Bias）是針對碳化硅MOSFET進(jìn)行的最重要的可靠性項(xiàng)目，主要用于驗(yàn)證柵極漏電流的穩(wěn)定性，考驗(yàn)對象是碳化硅MOSFET柵極氧化層。在高溫環(huán)境下對柵極長期施加電壓會促使柵極的性能加速老化，且碳化硅MOSFET的柵極長期承受正電壓，或者負(fù)電壓，其柵極閾值電壓VGSth會發(fā)生漂移。

 

測試原理圖如下：

 

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在測試中，需持續(xù)監(jiān)測基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET柵極-漏極的漏電流，如果漏電流超過電源設(shè)定上限，則可以判定為失效。試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。

 

 

03    HV-H3TRB 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

 

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HV-H3TRB（High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias）主要用于測試溫濕度對功率器件長期特性的影響。高濕環(huán)境是對分立器件的封裝樹脂材料及晶片表面鈍化層的極大考驗(yàn)，樹脂材料是擋不住水汽的，只能靠鈍化層，3種應(yīng)力的施加使早期的缺陷更容易暴露出來。

 

AEC-Q101中只有H3TRB這個類別，其缺點(diǎn)是反壓過低，只有100V?；?trade;（BASiC Semiconductor）將標(biāo)準(zhǔn)提高，把反偏電壓設(shè)置80%~100%的BV，稱為HVH3TRB。

 

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

 

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在測試中，需持續(xù)監(jiān)測基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗(yàn)前后都要電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。

 

04   TC 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

 

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件TC（Temperature Cycling）測試主要用于驗(yàn)證器件封裝結(jié)構(gòu)和材料的完整性。

 

綁定線、焊接材料及樹脂材料受到熱應(yīng)力均存在老化和失效的風(fēng)險(xiǎn)。溫度循環(huán)測試把被測對象放入溫箱中，溫度在-55℃到150℃之間循環(huán)（H等級），這個過程是對封裝材料施加熱應(yīng)力，評估器件內(nèi)部各種不同材質(zhì)在熱脹冷縮作用下的界面完整性；此項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)對碳化硅功率模塊而言很苛刻。

 

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

 

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試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發(fā)生異常。

 

05   AC 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

 

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件AC（Autoclave）測試主要用于驗(yàn)證器件封裝結(jié)構(gòu)密閉完整性。該測試是把被測對象放進(jìn)高溫高濕高氣壓的環(huán)境中，考驗(yàn)晶片鈍化層的優(yōu)良程度及樹脂材料的性能。被測對象處于凝露高濕氣氛中，且環(huán)境中氣壓較高，濕氣能進(jìn)入封裝內(nèi)部，可能出現(xiàn)分層、金屬化腐蝕等缺陷。

 

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：   

 

圖6.png

 

試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發(fā)生異常。

 

06   IOL 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

 

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件IOL（Intermittent Operational Life）測試是一種功率循環(huán)測試，將被測對象置于常溫環(huán)境TC=25℃，通入電流使其自身發(fā)熱結(jié)溫上升，且使?TJ≧100℃，等其自然冷卻至環(huán)境溫度，再通入電流使其結(jié)溫上升，不斷循環(huán)反復(fù)。此測試可使被測對象不同物質(zhì)結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力，可發(fā)現(xiàn)綁定線與鋁層的焊接面斷裂、芯片表面與樹脂材料的界面分層、綁定線與樹脂材料的界面分層等缺陷。

 

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

 

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試驗(yàn)前后同樣都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發(fā)生異常。

 

07   結(jié)   語

 

國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET可靠性及一致性如何確保？

電力電子系統(tǒng)研發(fā)制造商一般需要碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商提供可靠性測試報(bào)告的原始數(shù)據(jù)對比和器件封裝的FT數(shù)據(jù)。

SiC碳化硅MOSFET可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)主要來自以下可靠性測試環(huán)節(jié)的測試前后的數(shù)據(jù)對比，通過對齊可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)測試前后漂移量的對比，從而反映器件的可靠性控制標(biāo)準(zhǔn)及真實(shí)的可靠性裕量。SiC碳化硅MOSFET可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)主要包括以下數(shù)據(jù):

SiC碳化硅MOSFET高溫反偏High Temperature Reverse Bias HTRB Tj=175℃VDS=100%BV

SiC碳化硅MOSFET高溫柵偏（正壓）High Temperature Gate Bias（+） HTGB（+） Tj=175℃VGS=22V

SiC碳化硅MOSFET高溫柵偏（負(fù)壓）High Temperature Gate Bias（-） HTGB（-） Tj=175℃VGS=-8V

SiC碳化硅MOSFET高壓高濕高溫反偏High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias HV-H3TRB Ta=85℃RH=85%VDS=80%BV

SiC碳化硅MOSFET高壓蒸煮Autoclave AC Ta=121℃RH=100%15psig

SiC碳化硅MOSFET溫度循環(huán)Temperature Cycling TC -55℃ to 150℃

SiC碳化硅MOSFET間歇工作壽命Intermittent Operational Life IOL △Tj≥100℃Ton=2minToff=2min

FT數(shù)據(jù)來自碳化硅MOSFET功率器件FT測試(Final Test，也稱為FT)是對已制造完成的碳化硅MOSFET功率器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電氣功能確認(rèn)，以保證碳化硅MOSFET功率器件符合系統(tǒng)的需求。

通過分析碳化硅MOSFET功率器件FT數(shù)據(jù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（比如V(BR)DSS，VGS(th)，RDS(on)，

IDSS）的正態(tài)分布，可以定性碳化硅MOSFET功率器件材料及制程的穩(wěn)定性，這些數(shù)據(jù)的定性對電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及大批量制造的穩(wěn)定性也非常關(guān)鍵。