原创 SiC碳化硅功率器件可靠性测试方法详解

SiC碳化硅功率器件可靠性测试方法详解

倾佳电子（Changer Tech）致力于国产碳化硅（SiC）MOSFET功率器件在电力电子市场的推广！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，是指产品在规定时间内和条件下完成规定功能的能力，是产品质量的重要指标，如果在规定时间内和条件下产品失去了规定的功能，则称之为产品失效或出现了故障。可靠性测试项目的科学性、合理性，抽样和试验的规范性以及严谨性，对产品的环境寿命和质量水平的评估、研发的改进升级、产品迭代以及客户导入和应用评估至关重要。


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基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件产品环境和寿命可靠性主要测试项目、条件及抽样和接收标准

基本™（BASiC Semiconductor）器件环境和寿命可靠性测试项目是根据不同产品类型、材料特性及客户潜在的应用环境等，并参考国内外权威标准（AEC-Q101、AQG324等），制定符合公司以及满足客户需求的测试项目和条件。目前公司器件环境和寿命主要可靠性测试项目包括HTRB、HTGB（MOSFET和IGBT）、HV-H3TRB、TC、AC、IOL等，试验前后都要进行电应力测试和物理外观确认，并按照车规级标准AEC-Q101的要求，每个可靠性项目都需要不同的3个批次，每个批次77pcs器件零失效通过测试，即表示该试验通过。





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）主要用于验证长期稳定情况下芯片的漏电流，考验对象是边缘结构和钝化层的弱点或退化效应。

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HTRB是分立器件可靠性最重要的一个试验项目，其目的是暴露跟时间、应力相关的缺陷，这些缺陷通常是钝化层的可移动离子或温度驱动的杂质。半导体器件对杂质高度敏感，杂质在强电场作用下会呈现加速移动或扩散现象，最终将扩散至半导体内部导致失效。同样的晶片表面钝化层损坏后，杂质可能迁移到晶片内部导致失效。HTRB试验可以使这些失效加速呈现，排查出异常器件。

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

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在测试中，需持续监测碳化硅MOSFET源极-漏极的漏电流。试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。

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）是针对碳化硅MOSFET进行的最重要的可靠性项目，主要用于验证栅极漏电流的稳定性，考验对象是碳化硅MOSFET栅极氧化层。在高温环境下对栅极长期施加电压会促使栅极的性能加速老化，且碳化硅MOSFET的栅极长期承受正电压，或者负电压，其栅极阈值电压VGSth会发生漂移。

测试原理图如下：

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在测试中，需持续监测基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET栅极-漏极的漏电流，如果漏电流超过电源设定上限，则可以判定为失效。试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。


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）主要用于测试温湿度对功率器件长期特性的影响。高湿环境是对分立器件的封装树脂材料及晶片表面钝化层的极大考验，树脂材料是挡不住水汽的，只能靠钝化层，3种应力的施加使早期的缺陷更容易暴露出来。

AEC-Q101中只有H3TRB这个类别，其缺点是反压过低，只有100V。基本™（BASiC Semiconductor）将标准提高，把反偏电压设置80%~100%的BV，称为HVH3TRB。

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

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在测试中，需持续监测基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件MOSFET源极-漏极的漏电流。试验前后都要电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。

04   TC 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件TC（Temperature Cycling）测试主要用于验证器件封装结构和材料的完整性。

绑定线、焊接材料及树脂材料受到热应力均存在老化和失效的风险。温度循环测试把被测对象放入温箱中，温度在-55℃到150℃之间循环（H等级），这个过程是对封装材料施加热应力，评估器件内部各种不同材质在热胀冷缩作用下的界面完整性；此项目标准对碳化硅功率模块而言很苛刻。

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

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试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。

05   AC 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件AC（Autoclave）测试主要用于验证器件封装结构密闭完整性。该测试是把被测对象放进高温高湿高气压的环境中，考验晶片钝化层的优良程度及树脂材料的性能。被测对象处于凝露高湿气氛中，且环境中气压较高，湿气能进入封装内部，可能出现分层、金属化腐蚀等缺陷。

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：   

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试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。

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

基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件IOL（Intermittent Operational Life）测试是一种功率循环测试，将被测对象置于常温环境TC=25℃，通入电流使其自身发热结温上升，且使∆TJ≧100℃，等其自然冷却至环境温度，再通入电流使其结温上升，不断循环反复。此测试可使被测对象不同物质结合面产生应力，可发现绑定线与铝层的焊接面断裂、芯片表面与树脂材料的界面分层、绑定线与树脂材料的界面分层等缺陷。

以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

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试验前后同样都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。

07   结   语

国产SiC碳化硅MOSFET可靠性及一致性如何确保？
电力电子系统研发制造商一般需要碳化硅MOSFET功率器件供应商提供可靠性测试报告的原始数据对比和器件封装的FT数据。
SiC碳化硅MOSFET可靠性报告原始数据主要来自以下可靠性测试环节的测试前后的数据对比，通过对齐可靠性报告原始数据测试前后漂移量的对比，从而反映器件的可靠性控制标准及真实的可靠性裕量。SiC碳化硅MOSFET可靠性报告原始数据主要包括以下数据:
SiC碳化硅MOSFET高温反偏 High Temperature Reverse Bias  HTRB Tj=175℃ VDS=100%BV
SiC碳化硅MOSFET高温栅偏（正压） High Temperature Gate Bias（+） HTGB（+） Tj=175℃ VGS=22V
SiC碳化硅MOSFET高温栅偏（负压） High Temperature Gate Bias（-） HTGB（-） Tj=175℃ VGS=-8V
SiC碳化硅MOSFET高压高湿高温反偏 High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias HV-H3TRB Ta=85℃ RH=85% VDS=80%BV
SiC碳化硅MOSFET高压蒸煮 Autoclave AC Ta=121℃ RH=100% 15psig
SiC碳化硅MOSFET温度循环 Temperature Cycling TC -55℃ to 150℃
SiC碳化硅MOSFET间歇工作寿命 Intermittent Operational Life IOL △Tj≥100℃ Ton=2min Toff=2min
FT数据来自碳化硅MOSFET功率器件FT测试(Final Test，也称为FT)是对已制造完成的碳化硅MOSFET功率器件进行结构及电气功能确认，以保证碳化硅MOSFET功率器件符合系统的需求。
通过分析碳化硅MOSFET功率器件FT数据的关键数据（比如V(BR)DSS，VGS(th)，RDS(on)，
IDSS）的正态分布，可以定性碳化硅MOSFET功率器件材料及制程的稳定性，这些数据的定性对电力电子系统设计及大批量制造的稳定性也非常关键。

倾佳电子（Changer Tech）专业分销的基本™（BASiC Semiconductor）第二代SiC碳化硅MOSFET两大主要特色：

1.出类拔萃的可靠性：相对竞品较为充足的设计余量来确保大规模制造时的器件可靠性。
BASiC基本™第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列击穿电压BV值实测在1700V左右，高于市面主流竞品，击穿电压BV设计余量可以抵御碳化硅衬底外延材料及晶圆流片制程的摆动，能够确保大批量制造时的器件可靠性，这是BASiC基本™第二代SiC碳化硅MOSFET最关键的品质. BASiC基本™第二代SiC碳化硅MOSFET雪崩耐量裕量相对较高，也增强了在电力电子系统应用中的可靠性。

2.可圈可点的器件性能：同规格较小的Crss带来出色的开关性能。
BASiC基本™第二代SiC碳化硅MOSFET反向传输电容Crss 在市面主流竞品中是比较小的，带来关断损耗Eoff也是市面主流产品中非常出色的，优于部分海外竞品，特别适用于LLC应用，典型应用如充电桩电源模块后级DC-DC应用。

Basic™ (BASiC Semiconductor) second generation SiC silicon carbide MOSFET has two main features:
1. Outstanding reliability: Compared with competing products, there is sufficient design margin to ensure device reliability during mass manufacturing.
The breakdown voltage BV value of BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET 1200V series is measured to be around 1700V, which is higher than mainstream competing products on the market. The breakdown voltage BV design margin can withstand silicon carbide substrate epitaxial materials and wafers. The swing of the tape-out process can ensure device reliability during mass manufacturing, which is the most critical quality of BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET. BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET The relatively high avalanche tolerance margin also enhances reliability in power electronic system applications.
2. Remarkable device performance: Smaller Crss with the same specifications brings excellent switching performance.
BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET reverse transmission capacitor Crss is relatively small among mainstream competing products on the market, and its turn-off loss Eoff is also very good among mainstream products on the market, better than some overseas competing products. , especially suitable for LLC applications, typical applications such as charging pile power module downstream DC-DC applications.

基本™（BASiC Semiconductor）的碳化硅功率器件产品在批量投入市场前都需要通过规定的可靠性测试，以确保每一款器件的性能长期稳定可靠。基本™（BASiC Semiconductor）配备了1500m2碳化硅功率器件工程实验室，专注于研发设计验证、新材料与实验技术应用、产品功能试验和可靠性试验，是功率半导体领域研发测试的综合实验室。

基本™（BASiC Semiconductor）将持续以零缺陷为目标，不断改进科学严格的质量控制方法，精进技术与产品质量，持续为光伏储能、电动汽车、轨道交通、工业控制、智能电网等行业客户提供更高性能、更可靠的产品和服务。