近年來(lái)，電力電子應(yīng)用中越來(lái)越多地從硅轉(zhuǎn)向碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。在過(guò)去的十年中，后者已被委托給SiC和GaN半導(dǎo)體，這無(wú)疑為電氣化和強(qiáng)勁的未來(lái)鋪平了道路。由于其固有特性，寬帶隙半導(dǎo)體在許多電力應(yīng)用中正在逐步取代傳統(tǒng)的硅基器件。硅現(xiàn)在已經(jīng)風(fēng)光無(wú)限，其應(yīng)用的可靠性一直非常高。現(xiàn)在，有必要驗(yàn)證這兩種新型半導(dǎo)體從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是否可以提供相同的安全前景，以及它們?cè)谖磥?lái)是否對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是可靠的。

介紹

如今，最常用的應(yīng)用對(duì)能夠管理更高電壓、頻率和溫度，同時(shí)保持效率和可靠性的能源和電力的需求日益增長(zhǎng)。新材料碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 都是寬帶 (WBG) 半導(dǎo)體，非常有前景，與傳統(tǒng)硅相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是在電力電子應(yīng)用中。然而，即使迄今為止，新材料的安裝越來(lái)越廣泛和數(shù)量越來(lái)越多，它們的長(zhǎng)期可靠性仍然是大規(guī)模采用的持續(xù)研究的主題。隨著這項(xiàng)技術(shù)逐漸成熟，人們自然會(huì)對(duì)其長(zhǎng)期可靠性產(chǎn)生懷疑。

在極端功率應(yīng)用中使用寬帶隙半導(dǎo)體必須伴隨著對(duì)器件可靠性的仔細(xì)評(píng)估和分析。毫無(wú)疑問(wèn)，與硅相比，新型碳化硅和氮化鎵器件具有更加優(yōu)越的性能。其中包括更高的 Vds 電壓、更低的 Rds(ON) 電阻和更高的開(kāi)關(guān)速度。這些特性允許創(chuàng)建具有更高功率密度、更低損耗和更高整體效率的系統(tǒng)和電路。然而，SiC和GaN的獨(dú)特性能也帶來(lái)了新的可靠性挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)人員和公司必須更加關(guān)注的主要參數(shù)之一是器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，特別是在高壓和高溫工作條件下。高電場(chǎng)和熱應(yīng)力可能導(dǎo)致柵極氧化物、溝道遷移率的退化機(jī)制以及與封裝本身相關(guān)的故障。當(dāng) MOS 器件的柵極承受熱應(yīng)力和電應(yīng)力時(shí)，尤其會(huì)發(fā)生這種情況。此外，材料中新缺陷的形成會(huì)對(duì)此類設(shè)備的可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

然而，在研究的同時(shí)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā) SiC 和 GaN 器件的可靠性、提高材料質(zhì)量、器件設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)的研究也在進(jìn)行中，以提高其堅(jiān)固性和壽命。公司和制造商在極端條件下執(zhí)行加速老化程序和測(cè)試，以評(píng)估長(zhǎng)期性能并識(shí)別潛在的故障模式，無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室還是在實(shí)際操作環(huán)境中。一旦確定了加速應(yīng)力壽命，加速測(cè)試可用于預(yù)測(cè)正常最終使用條件下的產(chǎn)品壽命。這些評(píng)估在功率器件的測(cè)試中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，使操作員能夠?qū)M足溫度和電應(yīng)力要求的產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估和分類。

測(cè)試主要涉及設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)的極端工作溫度，以及在一段時(shí)間內(nèi)重復(fù)多次的 DS 通道中強(qiáng)電流的監(jiān)控。這些測(cè)試實(shí)施連續(xù)和交替的電氣和熱測(cè)試，并有可能生成詳細(xì)的最終報(bào)告。眾所周知，電子元件最大的敵人是高溫。顯示了 SiC MOSFET的電流和功率的典型趨勢(shì)，在 -60°C 至 +200°C 范圍內(nèi)改變工作溫度(在給定負(fù)載和電源電壓的電路仿真中)。雖然電流幾乎恒定并隨著溫度升高而略有下降，但隨著溫度在整個(gè)范圍內(nèi)升高，功耗卻急劇增加(甚至超過(guò) 5 倍)。這意味著各種問(wèn)題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命。

SiC 和 GaN 組件的可靠性

SiC和GaN屬于一種新興的現(xiàn)代技術(shù)，盡管它們已經(jīng)大量用于許多功率應(yīng)用，但尚未完全成熟。材料可靠性的概念正受到越來(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兊氖褂昧砍手笖?shù)級(jí)增長(zhǎng)，并且涉及的行業(yè)(尤其是安全領(lǐng)域)眾多，首先是汽車行業(yè)。 SiC 器件中存在的主要問(wèn)題之一是柵極氧化物變得越來(lái)越薄，因?yàn)樗赡軙?huì)惡化。

這種缺陷會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備故障，甚至嚴(yán)重故障。在SiC MOSFET器件商業(yè)化之初，其可靠性程度遠(yuǎn)低于硅同類產(chǎn)品，但這種差距正在慢慢縮小。一般來(lái)說(shuō)，涉及的失效過(guò)程略有不同，因?yàn)?SiC 是垂直 PN 結(jié)器件，而 GaN 是橫向 HEMT 器件。 MOSFET 在功率和高壓應(yīng)用中的穩(wěn)健性極其重要。

MOSFET 或二極管在用于任何最終解決方案之前必須通過(guò)各種測(cè)試。半導(dǎo)體產(chǎn)品可靠性測(cè)試的目的是保證設(shè)備的使用壽命。許多應(yīng)用需要中等或較長(zhǎng)的使用壽命以及較低的故障率。有些測(cè)試需要大量的時(shí)間來(lái)執(zhí)行，而且通常這個(gè)要求并不完全可行。因此，許多經(jīng)常對(duì)組件進(jìn)行測(cè)試和承受壓力的測(cè)試意味著通過(guò)故意加速某些參數(shù)(例如電壓、電流、溫度和濕度)來(lái)縮短時(shí)間。

SiC MOSFET 的可靠性主要受熱應(yīng)力影響，而熱應(yīng)力又取決于工作條件。由于這些溫度變化，模塊的內(nèi)部材料會(huì)惡化。典型的熱失效發(fā)生在不同熱膨脹系數(shù)的材料之間，特別是在絕緣基板和基板之間的接觸點(diǎn)處。制造商在開(kāi)發(fā)過(guò)程和設(shè)備生命周期的早期階段對(duì)電子元件進(jìn)行可靠性研究。只有這樣，才能保證SiC和GaN基器件的安全可靠運(yùn)行。

設(shè)備壓力測(cè)試包括測(cè)試數(shù)千個(gè)設(shè)備在類似現(xiàn)實(shí)世界的操作條件下并行連接。測(cè)試持續(xù)4個(gè)多月，允許操作人員獲得足夠的故障，從而列出足夠可靠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。有些方法允許通過(guò)柵極電壓應(yīng)力測(cè)試來(lái)估計(jì)MOS器件的柵極氧化物穩(wěn)定性。對(duì)于試樣，在允許的最大結(jié)溫度下進(jìn)行操作試驗(yàn)。在測(cè)試過(guò)程中，柵極電壓從制造商推薦的電壓開(kāi)始逐漸升高。在每個(gè)時(shí)間間隔后，計(jì)算故障設(shè)備并從測(cè)試電路中消除。測(cè)試?yán)^續(xù)進(jìn)行，直到所有設(shè)備都無(wú)法使用，此時(shí)，可以使用特定的數(shù)學(xué)模型來(lái)可視化故障的分布。

許多制造商為 SiC-MOSFET 制造柵極氧化膜，其可靠性極高，可與 Si-MOSFET 相媲美，而 Si-MOSFET 現(xiàn)在已是一個(gè)極其成熟的領(lǐng)域，其結(jié)果與前輩相當(dāng)。許多測(cè)試都是在操作條件限制的參數(shù)下進(jìn)行的，并經(jīng)過(guò)數(shù)千小時(shí)的驗(yàn)證確認(rèn)無(wú)故障運(yùn)行。一些故障涉及體二極管的導(dǎo)電性能下降，這意味著電流路徑發(fā)生變化，并導(dǎo)致二極管本身的 Rds(ON) 和 Vf 參數(shù)增加。與硅 MOSFET 相比，SiC-MOSFET 的特點(diǎn)是芯片面積更小、電流強(qiáng)度更高。因此，它們承受短路的能力也較低。

平均而言，這些器件的短路電阻時(shí)間約為幾十微秒。該時(shí)序還取決于電壓Vgs和Vdd。在高空和太空應(yīng)用中，宇宙射線可能會(huì)引起擔(dān)憂。相關(guān)的輻照測(cè)試表明，大多數(shù)型號(hào)都相當(dāng)耐用。此外，由于 SiC 芯片的尺寸比硅芯片更小，因此發(fā)生 ESD 相關(guān)故障的可能性更高。因此，有必要采取適當(dāng)?shù)撵o電對(duì)策，通過(guò)離子發(fā)生器和接地手環(huán)消除人體和工作環(huán)境中的靜電。

結(jié)論

汽車行業(yè)有著嚴(yán)格的可靠性要求，推動(dòng)了 SiC 和 GaN 器件領(lǐng)域的創(chuàng)新。這些半導(dǎo)體在電動(dòng)汽車中的采用雖然因其在效率、尺寸和重量方面的優(yōu)勢(shì)而迅速增長(zhǎng)，但也取決于它們的長(zhǎng)期可靠性，這是確保車輛安全和壽命的關(guān)鍵因素。汽車等要求嚴(yán)苛的市場(chǎng)提出了非常高的標(biāo)準(zhǔn)，故障率在十億分之一 (PPB) 范圍內(nèi)。盡管由于技術(shù)進(jìn)步，SiC 和 GaN 器件的可靠性不再受到質(zhì)疑，但它仍然是一個(gè)活躍且不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域。確保這些設(shè)備滿足實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)格的可靠性要求的努力正在為電力電子革命鋪平道路。隨著不斷發(fā)展和廣泛采用，碳化硅和氮化鎵有望塑造更加電氣化和可持續(xù)的未來(lái)，鞏固其作為能源轉(zhuǎn)型關(guān)鍵技術(shù)的作用。