傾佳電子（Changer Tech）致力于國產碳化硅（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，是指產品在規定時間內和條件下完成規定功能的能力，是產品質量的重要指標，如果在規定時間內和條件下產品失去了規定的功能，則稱之為產品失效或出現了故障。可靠性測試項目的科學性、合理性，抽樣和試驗的規范性以及嚴謹性，對產品的環境壽命和質量水平的評估、研發的改進升級、產品迭代以及客戶導入和應用評估至關重要。

 

 

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基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件產品環境和壽命可靠性主要測試項目、條件及抽樣和接收標準

 

基本™（BASiC Semiconductor）器件環境和壽命可靠性測試項目是根據不同產品類型、材料特性及客戶潛在的應用環境等，并參考國內外權威標準（AEC-Q101、AQG324等），制定符合公司以及滿足客戶需求的測試項目和條件。目前公司器件環境和壽命主要可靠性測試項目包括HTRB、HTGB（MOSFET和IGBT）、HV-H3TRB、TC、AC、IOL等，試驗前后都要進行電應力測試和物理外觀確認，并按照車規級標準AEC-Q101的要求，每個可靠性項目都需要不同的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）主要用于驗證長期穩定情況下芯片的漏電流，考驗對象是邊緣結構和鈍化層的弱點或退化效應。

 

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項目，其目的是暴露跟時間、應力相關的缺陷，這些缺陷通常是鈍化層的可移動離子或溫度驅動的雜質。半導體器件對雜質高度敏感，雜質在強電場作用下會呈現加速移動或擴散現象，最終將擴散至半導體內部導致失效。同樣的晶片表面鈍化層損壞后，雜質可能遷移到晶片內部導致失效。HTRB試驗可以使這些失效加速呈現，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，需持續監測碳化硅MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗前后都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，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進行的最重要的可靠性項目，主要用于驗證柵極漏電流的穩定性，考驗對象是碳化硅MOSFET柵極氧化層。在高溫環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，或者負電壓，其柵極閾值電壓VGSth會發生漂移。

 

測試原理圖如下：

 

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在測試中，需持續監測基本™（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定上限，則可以判定為失效。試驗前后都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，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，樹脂材料是擋不住水汽的，只能靠鈍化層，3種應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，其缺點是反壓過低，只有100V。基本™（BASiC Semiconductor）將標準提高，把反偏電壓設置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，需持續監測基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗前后都要電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，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）測試主要用于驗證器件封裝結構和材料的完整性。

 

綁定線、焊接材料及樹脂材料受到熱應力均存在老化和失效的風險。溫度循環測試把被測對象放入溫箱中，溫度在-55℃到150℃之間循環（H等級），這個過程是對封裝材料施加熱應力，評估器件內部各種不同材質在熱脹冷縮作用下的界面完整性；此項目標準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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試驗前后都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發生異常。

 

05   AC 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

 

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件AC（Autoclave）測試主要用于驗證器件封裝結構密閉完整性。該測試是把被測對象放進高溫高濕高氣壓的環境中，考驗晶片鈍化層的優良程度及樹脂材料的性能。被測對象處于凝露高濕氣氛中，且環境中氣壓較高，濕氣能進入封裝內部，可能出現分層、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：   

 

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試驗前后都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發生異常。

 

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測試，將被測對象置于常溫環境TC=25℃，通入電流使其自身發熱結溫上升，且使?TJ≧100℃，等其自然冷卻至環境溫度，再通入電流使其結溫上升，不斷循環反復。此測試可使被測對象不同物質結合面產生應力，可發現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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試驗前后同樣都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發生異常。

 

07   結   語

 

國產SiC碳化硅MOSFET可靠性及一致性如何確保？

電力電子系統研發制造商一般需要碳化硅MOSFET功率器件供應商提供可靠性測試報告的原始數據對比和器件封裝的FT數據。

SiC碳化硅MOSFET可靠性報告原始數據主要來自以下可靠性測試環節的測試前后的數據對比，通過對齊可靠性報告原始數據測試前后漂移量的對比，從而反映器件的可靠性控制標準及真實的可靠性裕量。SiC碳化硅MOSFET可靠性報告原始數據主要包括以下數據:

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數據來自碳化硅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功率器件進行結構及電氣功能確認，以保證碳化硅MOSFET功率器件符合系統的需求。

通過分析碳化硅MOSFET功率器件FT數據的關鍵數據（比如V(BR)DSS，VGS(th)，RDS(on)，

IDSS）的正態分布，可以定性碳化硅MOSFET功率器件材料及制程的穩定性，這些數據的定性對電力電子系統設計及大批量制造的穩定性也非常關鍵。