針對惡劣環(huán)境應用的SiC功率器件

引言

SiC功率器件已經(jīng)成為高效率、高電壓及高頻率的功率轉(zhuǎn)換應用中Si功率器件的可行替代品。正如預期的優(yōu)越材料特性，SiC功率器件已經(jīng)實現(xiàn)了高性能的系統(tǒng)應用，并取得了最高的效率標準且沒有任何向可靠性的妥協(xié)。Wolfspeed（Cree, Inc.旗下公司）的SiC二極管已經(jīng)在眾多領(lǐng)域應用超過10年，器件在主要行業(yè)（戶內(nèi)）應用中積累運行超過2兆小時，其中平均每10億小時內(nèi)發(fā)生不到1次故障。近年來，可再生能源和交通運輸?shù)葢敉鈶靡呀?jīng)體現(xiàn)出對SiC功率器件的需求，以實現(xiàn)系統(tǒng)體積、重量、效率和成本等方面的優(yōu)化目標。SiC功率器件已經(jīng)實現(xiàn)了性價比預期，但是戶外現(xiàn)場應用對其提出了所有半導體器件都存在的高濕度條件下運行的挑戰(zhàn)。

濕度問題

在偏壓下承受潮濕的影響是所有電子產(chǎn)品長期面臨的問題。如傳統(tǒng)Si功率器件等半導體，在其裸露的芯片表面引入更高電壓會增加復雜性，同時材料和有源區(qū)對濕度增加引起的退化非常敏感，最終的失效模式是伴隨電化學遷移、擴展腐蝕和流動離子等典型失效機制引起的高電壓阻斷能力喪失[ 1 ]。因為大數(shù)量級電場的催化效應，這些Si功率器件所面臨的挑戰(zhàn)隨著SiC的應用而加劇，進一步刺激了上述失效機理的出現(xiàn)（圖1）。Wolfspeed的工程師們投入了大量的時間和資源來研究這些以往出現(xiàn)過的半導體失效機理，以開發(fā)支持全新W系列功率模塊產(chǎn)品的工藝和設(shè)計方案。

圖1. 更高電壓加載后的裸芯片表面

全新認證測試標準

JEDEC標準針對工業(yè)模塊的認證測試一直是采用高濕、高溫反向偏壓測試（H3TRB），也就是溫濕度偏壓測試（THB），該測試在相對濕度85 %和環(huán)境溫度85 ℃的環(huán)境試驗箱內(nèi)進行。

測試樣品被放置在試驗箱內(nèi)以100 V偏壓進行1000小時的實驗，要求所有測試樣品的參數(shù)保持在規(guī)格書范圍以內(nèi)，且參數(shù)漂移最?。妷簻y試規(guī)格的20%，漏電流測試規(guī)格的1000%）才算通過測試[2]。由于戶外應用中器件所承受的電壓遠高于100 V，H3TRB測試被認為對戶外應用是無效的。

研究人員針對Si功率器件設(shè)計了全新的濕度測試，即高壓高濕、高溫反向偏壓測試（HV-H3TRB），該測試將偏置電壓增加至80%額定阻斷電壓的最大使用條件，因此也被稱為THB-80測試。例如，1200 V的器件以前僅在100 V下進行測試，而在HV-H3TRB測試中將以960 V進行測試。Si功率器件已經(jīng)成功在高濕度條件下現(xiàn)場運行，并通過了1000小時HV-H3TRB認證測試，最終在2000小時以上才出現(xiàn)失效。如圖2所示，Wolfspeed 62mm封裝的1200V/300A半橋功率模塊WAS300M12BM2，是第一款符合這一全新可靠性標準的全SiC功率模塊。

圖2. 第一款符合全新可靠性標準的全SiC功率模塊

針對惡劣環(huán)境應用的全SiC功率模塊

WAS300M12BM2由Wolfspeed的全新MOSFET（CPM2-1200-0025A）和第5代肖特基二極管構(gòu)成，可在芯片級別滿足惡劣環(huán)境標準。在裸芯片的認證過程中，來自3個不同裝配批次（共75個MOSFET和75個肖特基二極管）隨機抽取的25組測試樣品順利通過了HV-H3TRB測試，具有一定統(tǒng)計顯著性和連續(xù)運行重現(xiàn)性。針對惡劣環(huán)境應用的WAS300M12BM2與現(xiàn)有工業(yè)級模塊CAS300M12BM2的電氣性能相同，具有低至4.2 m?的通態(tài)電阻及開關(guān)損耗不到相同規(guī)格的最新IGBT模塊的20%。這款模塊的構(gòu)造采用了高導熱的氮化鋁基板和優(yōu)化后的裝配工藝，以滿足工業(yè)應用對熱循環(huán)和功率循環(huán)的要求。

隨機抽取6個WAS300M12BM2進行HV-H3TRB測試，在每500小時的試驗迭代結(jié)束時，所有測試樣品從試驗箱取出并測試其電氣穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)合規(guī)性。在500小時和1000小時試驗后分別破壞了1個模塊，以進行視覺測試來確認是否出現(xiàn)任何可能導致模塊早期失效的潛在缺陷。

除了為確認HV-H3TRB的測試條件的正常監(jiān)測外，每個測試樣品還分別監(jiān)測了各自的漏電流（IDSS），IDSS波形不穩(wěn)定被認為是失效的前兆特征。如圖3所示，在整個1000小時的認證測試中，所有測試樣品都具有穩(wěn)定的IDSS波形，通過電氣測試確認了模塊電壓漂移＜5%及漏電流漂移＜50%，均在JEDEC標準允許的范圍之內(nèi)。

圖3. 監(jiān)測模塊漏電流

分別在500小時和1000小時失效的2個模塊的原始芯片表面視覺測試結(jié)果如圖4所示，這個結(jié)果可與無應力部分的相比擬。高倍顯微鏡測試結(jié)果證實沒有出現(xiàn)氧化和電化學遷移等失效跡象。剩下的4個未開封模塊繼續(xù)進行HV-H3TRB測試，經(jīng)過2000小時以上的測試仍未失效。

圖4. 分別在500小時和1000小時測試后失效模塊的原始芯片表面視覺測試結(jié)果

結(jié)論

Wolfspeed全新的WAS300M12BM2功率模塊在高濕度條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這是第一款通過HV-H3TRB測試驗證具有長期使用壽命的，且在后應力物理分析中沒有發(fā)現(xiàn)任何潛在缺陷的，并針對惡劣環(huán)境應用的全SiC功率器件，這些結(jié)果都為Wolfspeed W系列SiC功率模塊在可再生能源和交通運輸?shù)葢敉夤β兽D(zhuǎn)換應用中的使用打開了大門。