基于環(huán)流系統(tǒng)的碳化硅功率器件可靠性研究

近日，在西安·曲江國際會(huì)議中心舉辦的2024中國電力電子與能量轉(zhuǎn)換大會(huì)暨中國電源學(xué)會(huì)第二十七屆學(xué)術(shù)年會(huì)及展覽會(huì)（CPEEC & CPSSC 2024）已圓滿落幕。

本次派恩杰作為中國電源學(xué)會(huì)白金合作伙伴受邀參展，到派恩杰3-015展位駐足停留咨詢的客戶和伙伴絡(luò)繹不絕，同時(shí)在西安·曲江國際會(huì)議中心，派恩杰的雷洋博士在“工業(yè)報(bào)告”環(huán)節(jié)做出了《基于環(huán)流系統(tǒng)的碳化硅功率器件可靠性研究》的報(bào)告分享。

報(bào)告人-雷 洋

博士，應(yīng)用主任工程師

會(huì)上，雷洋博士就“①SiC MOSFET參數(shù)漂移問題、②SiC MOSFET參數(shù)漂移研究的環(huán)流系統(tǒng)、③實(shí)驗(yàn)結(jié)論”三大模塊論點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性報(bào)告分享，并與會(huì)上廣大業(yè)內(nèi)同仁共同進(jìn)行了熱烈的交流與實(shí)驗(yàn)探討。

SiC MOSFET參數(shù)漂移問題

據(jù)雷洋博士介紹，碳化硅（SiC）MOSFET由于其優(yōu)越的效率、高溫耐受性以及相比傳統(tǒng)硅器件更快的開關(guān)速度，已經(jīng)成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。然而，影響其廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是參數(shù)漂移，這會(huì)對(duì)其長期穩(wěn)定性和性能產(chǎn)生影響。了解參數(shù)漂移及其潛在機(jī)制對(duì)于提高SiC MOSFET的可靠性至關(guān)重要，特別是在對(duì)高性能和長壽命有嚴(yán)格要求的工業(yè)應(yīng)用中。通過持續(xù)研究、合作努力和工藝改進(jìn)來解決這些挑戰(zhàn)，是充分利用SiC技術(shù)在電力電子中優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

通過實(shí)驗(yàn)研究，團(tuán)隊(duì)也探討了各種減緩策略，例如優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)方法、改善界面質(zhì)量以及開發(fā)穩(wěn)健的測(cè)試方法，以確保可靠的性能。首先，碳化硅MOSFET最早受到關(guān)注的是恒定柵壓下，閾值電壓的漂移現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象也是普遍存在于碳化硅MOSFET器件中。我們對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行了PBTI的測(cè)試，結(jié)果顯示閾值電壓輕微正漂，導(dǎo)通電阻無明顯變化。

相同的柵壓應(yīng)力條件下，負(fù)漂NBTI要比正漂PBTI更加顯著。主要原因是反應(yīng)擴(kuò)散模型：在器件施加負(fù)偏置柵極應(yīng)力時(shí)，熱空穴或帶正電的H+注入到SiC/SiO2 界面，導(dǎo)致較弱的Si-H 鍵斷裂形成新的界面陷阱，使得閾值電壓漂移更加嚴(yán)重。這使得NBTI對(duì)器件的可靠性影響更大，因此我們對(duì)NBTI效應(yīng)進(jìn)行了更詳細(xì)的測(cè)試分析。分別進(jìn)行3組柵極電壓和3組溫度的測(cè)試，再使用power對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到一個(gè)閾值漂移量隨溫度、電壓、時(shí)間變化的模型NBTI 閾值電壓漂移量隨柵壓應(yīng)力的幅值增加而逐漸增大，電壓加速因子α約為1.4，而溫度的影響相對(duì)較小。在極端條件下, 175℃, -12V, 1000H，器件閾值負(fù)漂小于150mV。

實(shí)驗(yàn)證明PBTI與NBTI是現(xiàn)實(shí)存在的，但是碳化硅MOSFET在電源應(yīng)用的實(shí)際工況下，極少出現(xiàn)長時(shí)間施加正向柵壓或者負(fù)向柵壓的情況，而是以開關(guān)頻率交替施加正壓與負(fù)壓，因此傳統(tǒng)的基于恒定應(yīng)力的可靠性測(cè)試方法，如HTGB、HTRB、TDDB、DC BTI等，均具有一定的局限性。

動(dòng)態(tài)測(cè)試能更好地揭示瞬態(tài)效應(yīng)及其對(duì)器件長期性能的影響，而靜態(tài)測(cè)試由于缺少快速變化的條件，可能無法充分反映這些問題，因此針對(duì)AC BTI也做了相關(guān)的測(cè)試。一般情況下，AC BTI導(dǎo)致的閾值電壓是一種準(zhǔn)永久的漂移。閾值漂移量受開關(guān)頻率、柵極電壓上限、柵極電壓下限、溫度、柵極電壓過沖、占空比等多種因素影響。需要特別說明是，頻率較高時(shí)，柵極負(fù)壓和正壓導(dǎo)致的閾值電壓漂移不會(huì)互相抵消。一般來說，AC BTI柵極電壓下限越低(絕對(duì)值越大)，閾值漂移越明顯。首先，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)閾值電壓漂移量與開關(guān)頻率無關(guān)，與開關(guān)次數(shù)相關(guān)。可以通過提高開關(guān)頻率加速閾值電壓漂移。對(duì)器件在極端條件下進(jìn)行超長開關(guān)次數(shù)測(cè)試，派恩杰優(yōu)化后器件閾值漂移小于100mV，且顯著優(yōu)于溝槽柵結(jié)構(gòu)SiC MSOFET。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷長時(shí)間柵極開關(guān)應(yīng)力，閾值漂移效應(yīng)表現(xiàn)出飽和趨勢(shì)，表明派恩杰器件可以承受長期極端柵極開關(guān)應(yīng)力，保證長期可靠性。然而AC BTI的相關(guān)測(cè)試僅是對(duì)柵極加負(fù)壓，沒有施加漏源電壓，因此仍然無法與實(shí)際工況對(duì)應(yīng)，存在一定的局限性。

參數(shù)漂移研究的環(huán)流系統(tǒng)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)表明的局限性問題，派恩杰開發(fā)了一套環(huán)流系統(tǒng)，目標(biāo)是使碳化硅工作在實(shí)際的開關(guān)電路中，運(yùn)行在重載工況下，對(duì)碳化硅MOSFET進(jìn)行參數(shù)漂移的研究。首先，我們開發(fā)了一個(gè)單個(gè)測(cè)試模塊電路，這個(gè)測(cè)試模塊電路是一個(gè)H橋電路，直流側(cè)通過直流電源進(jìn)行供電，兩個(gè)SW node之間連接一個(gè)電感。通過測(cè)量電感電流，MCU可以進(jìn)行閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)控制電感電流跟蹤電流reference。這樣就可以模擬碳化硅MOSFET在橋式電路中硬開關(guān)的實(shí)際工況，并且可以根據(jù)運(yùn)行條件設(shè)置參數(shù)，如開關(guān)頻率，死區(qū)，直流母線電壓與負(fù)載電流等。這個(gè)測(cè)試模塊有如下特點(diǎn)，首先是直流電源僅需要提供損耗，因此對(duì)直流電源的容量要求較低；其次，電流reference可以設(shè)置為直流或交流，且可以達(dá)到較高的數(shù)值，不受電子負(fù)載影響。但是如果設(shè)置為直流，根據(jù)電流方向，其中兩個(gè)硬開關(guān)的器件溫度會(huì)較高，同步管溫度較低。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)定為交流，保證4顆器件的溫升一致。該測(cè)試模塊還有一個(gè)特點(diǎn)，就是被測(cè)器件是自發(fā)熱的，溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過熱像儀照片我們可以看到，我們將殼溫控制在了155攝氏度左右，這個(gè)是因?yàn)槲覀冋J(rèn)為在這個(gè)殼溫條件下，結(jié)溫已經(jīng)在175攝氏度以上。

針對(duì)大規(guī)模測(cè)試的需求，我們也開發(fā)了相應(yīng)的功能。我們通過硬件上的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了熱插拔的功能，另外，每個(gè)測(cè)試模塊均有無線通信模塊，可以通過上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，上位機(jī)可以向任何一個(gè)測(cè)試模塊發(fā)送指令，也可以接收運(yùn)行數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)主要包括器件殼溫和損耗功率，并且上位機(jī)可以將這些數(shù)據(jù)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

目前，我們選取了三個(gè)不同的碳化硅MOSFET進(jìn)行研究，正在進(jìn)行三個(gè)模塊同時(shí)進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)，如圖是我們的環(huán)流系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架的prototype。我們的測(cè)試條件是直流電壓850V，開關(guān)頻率40kHz，單個(gè)模塊加載至殼溫達(dá)到155攝氏度左右。并且每間隔24小時(shí)進(jìn)行一次Vth與RDSon的測(cè)試。我們選取的器件是來自不同廠商的1200V 40毫歐的碳化硅MOSFET，殼溫穩(wěn)定在155攝氏度左右的負(fù)載電流分別為36.28A、25.15A和25.14A。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆磸?fù)測(cè)試，我們收集了多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)點(diǎn)我們可以觀測(cè)到，所有器件的參數(shù)均比較穩(wěn)定。而我們派恩杰的器件，Vth有所上升，Rdson有所下降；vendor 1的器件Vth和Rdson 均有所下降，Vendor 2的器件Vth有所下降，Rdson基本不變。

測(cè)試數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)基于初始化歸一化處理）

目前我們可以得到結(jié)論，該環(huán)流測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)老化實(shí)驗(yàn)，并且通過該實(shí)驗(yàn)可以檢測(cè)碳化硅MOSFET的參數(shù)漂移情況。短期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在殼溫155攝氏度的條件下，未觀察到明顯的參數(shù)漂移。后續(xù)，我們會(huì)持續(xù)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，并且會(huì)在不同的負(fù)載條件，不同應(yīng)力下，對(duì)器件進(jìn)行加速老化的對(duì)比，以期得到更多可靠性參考數(shù)據(jù)，并優(yōu)化器件性能，為客戶提供更穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。

會(huì)上時(shí)間有限，我們期待下次與大家有更多交流探討的機(jī)會(huì)，共同在半導(dǎo)體領(lǐng)域同行更遠(yuǎn)、探索更深。

關(guān)于派恩杰

知行合一，創(chuàng)造價(jià)值

中國第三代半導(dǎo)體功率器件的領(lǐng)先品牌

專注寬禁帶半導(dǎo)體研發(fā)、設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)化

主營車規(guī)級(jí)碳化硅MOSFET、碳化硅SBD和氮化鎵功率器件

擁有國內(nèi)最全碳化硅功率器件目錄

派恩杰半導(dǎo)體

成立于2018年9月的第三代半導(dǎo)體功率器件設(shè)計(jì)和方案商，國際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)JC-70會(huì)議的主要成員之一，參與制定寬禁帶半導(dǎo)體功率器件國際標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)布了100余款650V/1200V/1700V SiC SBD、SiC MOSFET、GaN HEMT功率器件，其中SiC MOSFET芯片已大規(guī)模導(dǎo)入國產(chǎn)新能源整車廠和Tier 1，其余產(chǎn)品廣泛用于大數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算與區(qū)塊鏈、5G通信基站、儲(chǔ)能/充電樁、微型光伏、城際高速鐵路和城際軌道交通、家用電器以及特高壓、航空航天、工業(yè)特種電源、UPS、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。