作者簡介PROFILE

英飛凌應(yīng)用工程師趙佳

碳化硅專家里最會寫的，不間斷傳遞硬核技術(shù)

在電力電子領(lǐng)域，SiC MOSFET 正憑借高頻、高效、高溫的顯著優(yōu)勢在新能源汽車、光伏儲能、工業(yè)電源等核心場景加速滲透。SiC MOSFET能復(fù)用硅基器件(如垂直型MOSFET或IGBT)的許多基本的器件設(shè)計概念，另外用于驗證Si MOSFET/IGBT長期穩(wěn)定性的許多方法可以直接用到SiC MOSFET上。但更深入的分析表明，基于SiC的MOSFET還需要進行一些不同于Si器件的額外可靠性試驗。主要基于以下原因：

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材料特性：優(yōu)勢與風(fēng)險并存

1. 超寬禁帶的高壓應(yīng)力挑戰(zhàn)：SiC 的禁帶寬度約為 3.26eV，是硅的近 3 倍，臨界場強可達硅的10倍。但柵極SiC/SiO?界面的缺陷會在長期電應(yīng)力下不斷積累，逐漸引發(fā)柵氧層老化、擊穿。這種失效具有隱蔽性和累積性，只有通過針對性的長期試驗，才能評估其壽命極限。

2. 熱導(dǎo)率失配導(dǎo)致的高頻熱循環(huán)疲勞：SiC 的熱導(dǎo)率約為硅的 3 倍，散熱能力更強，但與封裝材料（銅、陶瓷）的熱膨脹系數(shù)差異更大。同時SiC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)更多塑性應(yīng)變。因此，SiC的秒級功率循環(huán)能力才比采用相同互連技術(shù)的Si更低。

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器件結(jié)構(gòu)：MOS 結(jié)構(gòu)帶來的固有脆弱點

1. 超薄柵氧層的電擊穿風(fēng)險：傳統(tǒng)Si IGBT柵氧化層厚度約為80nm。為保證導(dǎo)通性能，平面型SiC MOSFET 的柵氧層厚度僅約 40nm~50nm，溝槽柵器件氧化層厚度可提升至70nm。但由于SiC 與 SiO?界面存在大量固定電荷和陷阱，相較于Si器件較厚的柵氧結(jié)構(gòu)，SiC更易受電場、溫度影響，因此柵氧可靠性是可靠性驗證的重中之重。

2. 極短的短路耐受時間：大部分SiC MOSFET廠商并沒有標稱短路耐量，僅有英飛凌等少數(shù)廠商能標稱 2-5μs的短路耐受時間，但仍低于大部分IGBT。這是由于SiC MOSFET具有更小的芯片面積與更薄的外延層，因而具有更高的電流密度，從而導(dǎo)致短路時熱量非常集中。如何保證SiC MOSFET短路性能及評估短路后器件的長期可靠性亦是一大挑戰(zhàn)。

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應(yīng)用場景：高頻開關(guān)的挑戰(zhàn)

1. 高擊穿電場引發(fā)的高壓動態(tài)應(yīng)力：SiC 的擊穿電場強度是硅的 10 倍，使其可在高于1000V的高壓母線下穩(wěn)定工作，且器件尺寸更小。但高壓工況下，其關(guān)斷 dv/dt 可達 50kV/μs 以上，容易引發(fā)寄生振蕩、電壓過沖等動態(tài)問題，超出傳統(tǒng)器件測試從的應(yīng)力場景。

2. 高壓高溫高濕聯(lián)合應(yīng)力挑戰(zhàn)。在新能源汽車、光伏等應(yīng)用場景中，SiC MOSFET 需同時承受高壓、高溫、高濕的聯(lián)合作用。水分子會通過封裝間隙滲入，在高壓電場驅(qū)動下引發(fā)電化學(xué)遷移，導(dǎo)致器件失效。傳統(tǒng)的低壓濕度測試，完全無法模擬這種極環(huán)境，無法發(fā)現(xiàn)此類潛在風(fēng)險。

SiC MOSFET 專屬可靠性

試驗項目全解析

在過去25年里開發(fā)和生產(chǎn)基于SiC的功率器件的過程中，英飛凌對SiC MOSFET面臨的挑戰(zhàn)與風(fēng)險進行了深入的分析。為了能夠評估SiC MOSFET器件的臨界運行條件，并了解新的潛在失效機制，需要在開發(fā)階段引入新的測試項目，以驗證技術(shù)平臺的可靠性。

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柵極可靠性專屬試驗

SiC MOSFET 在零漏極電壓、柵極高頻切換的工作條件下，會出現(xiàn)一種特殊的性能退化現(xiàn)象，英飛凌將其命名為柵極開關(guān)不穩(wěn)定性（GSI），觸發(fā)這種退化的應(yīng)力模式則被稱為柵極開關(guān)應(yīng)力GSS，業(yè)內(nèi)也常稱其為 AC BTI、DGS 等。簡單來說，柵極開關(guān)不穩(wěn)定性的核心表現(xiàn)是：器件閾值電壓會隨著累積開關(guān)循環(huán)次數(shù)的增加持續(xù)升高，這種漂移是 SiC 器件獨有的，且在高頻開關(guān)場景中尤為顯著。為評估 SiC MOSFET閾值電壓穩(wěn)定性，英飛凌與JEDEC攜手制定了GSS測試標準。合格器件應(yīng)通過1000hr測試而無明顯退化。

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高壓環(huán)境可靠性專屬試驗

高壓是 SiC MOSFET 的核心應(yīng)用特征，應(yīng)重點驗證高壓下的絕緣穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性。由于SiC器件的終端尺寸變?。ㄒ驗椴牧系淖钄嗄芰Ω鼜姡员仨毷褂米銐蚩煽康奶厥忖g化技術(shù)。為了適應(yīng)SiC高dv/dt的應(yīng)用環(huán)境，除了靜態(tài)偏壓測試HTRB，動態(tài)偏壓測試DRB也必不可少。在DRB實驗中，dv/dt高達200V/ns，這對器件的終端區(qū)是非常嚴苛的挑戰(zhàn)。

標準HTRB中，柵極與源極短接。與基于硅的功率器件不同，SiC的氧化層可靠性試驗還必須涵蓋阻斷模式下的穩(wěn)定性。這是由于SiC MOSFET超高的臨界電場，對SiO2氧化層缺陷是嚴峻考驗。因此，SiC MOSFET在標準HTRB測試基礎(chǔ)上，應(yīng)追加負柵源電壓情形下的測試，這對柵極的質(zhì)量提出了更高要求。

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短路與動態(tài)特性專屬試驗

前面提到過，SiC MOSFET因為電流密度高、芯片面積小、外延層高等原因，短路耐受時間相比IGBT低不少。市面上大多數(shù)廠家都無法保證SiC MOSFET的短路性能，只有英飛凌等少數(shù)廠家能承諾2~5us的短路時間。短路時間是如何標定的呢？是否只要在測試中承受住了幾us的短路電流，就能宣稱該器件具有短路能力？并不是這樣。對于經(jīng)受過短路事件的器件，仍然要評估其HTRB與HTGB，方能保證經(jīng)過短路的器件，仍然具有穩(wěn)定的表現(xiàn)與預(yù)期的壽命。

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濕度專屬測試：AC-HTC

（交流-濕度和溫度循環(huán)）

以上實驗尚不能完全模擬實際工作模式，因此英飛凌引入了AC-HTC（交流-濕度和溫度循環(huán)）測試?，F(xiàn)場應(yīng)用中，比如在光伏逆變器場景下，開機前機柜中溫度很低，且有冷凝水；開機后，溫度上升，濕度下降。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(yīng)用有關(guān)的失效模式。

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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用中使用的較高頻率和電壓打開處于冷凝條件下的器件。

如果終端區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和鈍化處理不夠充分，則將出現(xiàn)退化，導(dǎo)致在試驗期間和實際應(yīng)用中過早失效。合格的器件應(yīng)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，才成功通過持續(xù)120天的AC-HTC試驗，而不出現(xiàn)任何明顯的退化。

結(jié)語

沿用傳統(tǒng)功率器件的驗證框架，本質(zhì)上是用 “舊標準” 衡量 “新器件”，必然會埋下可靠性隱患。唯有立足 SiC MOSFET的材料特性與獨有失效機理，在開發(fā)階段就引入專屬可靠性試驗項目，為SiC技術(shù)平臺構(gòu)建完整的考核體系，讓 SiC MOSFET 在新能源、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用更加穩(wěn)健、可持續(xù)。