SiC和GaN的可靠性

近年來，電力電子應(yīng)用中越來越多地從硅轉(zhuǎn)向碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。在過去的十年中，后者已被委托給SiC和GaN半導體，這無疑為電氣化和強勁的未來鋪平了道路。由于其固有特性，寬帶隙半導體在許多電力應(yīng)用中正在逐步取代傳統(tǒng)的硅基器件。硅現(xiàn)在已經(jīng)風光無限，其應(yīng)用的可靠性一直非常高?，F(xiàn)在，有必要驗證這兩種新型半導體從長遠來看是否可以提供相同的安全前景，以及它們在未來是否對設(shè)計人員來說是可靠的。

介紹

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

在極端功率應(yīng)用中使用寬帶隙半導體必須伴隨著對器件可靠性的仔細評估和分析。毫無疑問，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的獨特性能也帶來了新的可靠性挑戰(zhàn)。

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

然而，在研究的同時，進一步開發(fā) SiC 和 GaN 器件的可靠性、提高材料質(zhì)量、器件設(shè)計和封裝技術(shù)的研究也在進行中，以提高其堅固性和壽命。公司和制造商在極端條件下執(zhí)行加速老化程序和測試，以評估長期性能并識別潛在的故障模式，無論是在實驗室還是在實際操作環(huán)境中。一旦確定了加速應(yīng)力壽命，加速測試可用于預(yù)測正常最終使用條件下的產(chǎn)品壽命。這些評估在功率器件的測試中發(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)品進行評估和分類。

測試主要涉及設(shè)備在一段時間內(nèi)的極端工作溫度，以及在一段時間內(nèi)重復多次的 DS 通道中強電流的監(jiān)控。這些測試實施連續(xù)和交替的電氣和熱測試，并有可能生成詳細的最終報告。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，在 -60°C 至 +200°C 范圍內(nèi)改變工作溫度(在給定負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，但隨著溫度在整個范圍內(nèi)升高，功耗卻急劇增加(甚至超過 5 倍)。這意味著各種問題，從長遠來看，會縮短設(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越多的關(guān)注，因為它們的使用量呈指數(shù)級增長，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題之一是柵極氧化物變得越來越薄，因為它可能會惡化。

這種缺陷會直接導致設(shè)備故障，甚至嚴重故障。在SiC MOSFET器件商業(yè)化之初，其可靠性程度遠低于硅同類產(chǎn)品，但這種差距正在慢慢縮小。一般來說，涉及的失效過程略有不同，因為 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各種測試。半導體產(chǎn)品可靠性測試的目的是保證設(shè)備的使用壽命。許多應(yīng)用需要中等或較長的使用壽命以及較低的故障率。有些測試需要大量的時間來執(zhí)行，而且通常這個要求并不完全可行。因此，許多經(jīng)常對組件進行測試和承受壓力的測試意味著通過故意加速某些參數(shù)(例如電壓、電流、溫度和濕度)來縮短時間。

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處。制造商在開發(fā)過程和設(shè)備生命周期的早期階段對電子元件進行可靠性研究。只有這樣，才能保證SiC和GaN基器件的安全可靠運行。

設(shè)備壓力測試包括測試數(shù)千個設(shè)備在類似現(xiàn)實世界的操作條件下并行連接。測試持續(xù)4個多月，允許操作人員獲得足夠的故障，從而列出足夠可靠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。有些方法允許通過柵極電壓應(yīng)力測試來估計MOS器件的柵極氧化物穩(wěn)定性。對于試樣，在允許的最大結(jié)溫度下進行操作試驗。在測試過程中，柵極電壓從制造商推薦的電壓開始逐漸升高。在每個時間間隔后，計算故障設(shè)備并從測試電路中消除。測試繼續(xù)進行，直到所有設(shè)備都無法使用，此時，可以使用特定的數(shù)學模型來可視化故障的分布。

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)在已是一個極其成熟的領(lǐng)域，其結(jié)果與前輩相當。許多測試都是在操作條件限制的參數(shù)下進行的，并經(jīng)過數(shù)千小時的驗證確認無故障運行。一些故障涉及體二極管的導電性能下降，這意味著電流路徑發(fā)生變化，并導致二極管本身的 Rds(ON) 和 Vf 參數(shù)增加。與硅 MOSFET 相比，SiC-MOSFET 的特點是芯片面積更小、電流強度更高。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間約為幾十微秒。該時序還取決于電壓Vgs和Vdd。在高空和太空應(yīng)用中，宇宙射線可能會引起擔憂。相關(guān)的輻照測試表明，大多數(shù)型號都相當耐用。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?shù)撵o電對策，通過離子發(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)有著嚴格的可靠性要求，推動了 SiC 和 GaN 器件領(lǐng)域的創(chuàng)新。這些半導體在電動汽車中的采用雖然因其在效率、尺寸和重量方面的優(yōu)勢而迅速增長，但也取決于它們的長期可靠性，這是確保車輛安全和壽命的關(guān)鍵因素。汽車等要求嚴苛的市場提出了非常高的標準，故障率在十億分之一 (PPB) 范圍內(nèi)。盡管由于技術(shù)進步，SiC 和 GaN 器件的可靠性不再受到質(zhì)疑，但它仍然是一個活躍且不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域。確保這些設(shè)備滿足實際應(yīng)用嚴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，鞏固其作為能源轉(zhuǎn)型關(guān)鍵技術(shù)的作用。