從Wolfspeed角度看SiC功率器件可靠性

來源：芯TIP

報(bào)告主題：從Wolfspeed角度看SiC MOSFET功率器件可靠性以滿足特定應(yīng)用要求

報(bào)告作者：DONALD A. GAJEWSKI

（DIRECTOR, RELIABILITY ENGINEERING & FAILURE ANALYSIS）

報(bào)告內(nèi)容包含：（具體內(nèi)容詳見下方全部報(bào)告內(nèi)容）

• MOSFET的顯著特征和器件級故障機(jī)制

• 可靠性 101

  隨時(shí)間變化的故障率：浴盆曲線

• 閾值電壓穩(wěn)定性

• 雙極/體二極管的穩(wěn)定性

• 柵極氧化層可靠性

• 反向偏置可靠性（HTRB）

• 濕度相關(guān)的可靠性

• 封裝可靠性

  功率循環(huán)

• 現(xiàn)場可靠性

• 行業(yè)聯(lián)盟指南和標(biāo)準(zhǔn)

• 總結(jié)

報(bào)告詳細(xì)內(nèi)容

# SiC MOSFET的顯著特征

# 器件級故障機(jī)制

柵極氧化層磨損（TDDB & HTRB）

VTH 穩(wěn)定性 (NBTI/PBTI)

中子SEB耐性（CR）

雙極不穩(wěn)定性：BPDs/SFs（BDOL）

濕度：泄漏/腐蝕（H3TRB）

# 可靠性 101

隨時(shí)間變化的故障率：浴盆曲線

# 閾值電壓穩(wěn)定性

# 閾值電壓穩(wěn)定性（PBTI 或 NBTI）

隨時(shí)間變化的閾值電壓偏移 (ΔVT) 可以改變導(dǎo)通狀態(tài)和/或阻斷特性

這可能發(fā)生在 Si 或 SiC MOSFET 中

ΔVT與界面和氧化物陷阱有關(guān) （填充/排空/創(chuàng)建）

Si MOSFET 的 ΔVT取決于 MOS 柵極電場、溫度和時(shí)間

SiC MOSFET 比 Si MOSFET 具有更多陷阱 ；VT穩(wěn)定性更值得關(guān)注

# PBTI、NBTI 測試程序

（加熱樣品至測試溫度，并保持 T 恒定）

# SiC 功率 MOSFET 的閾值電壓穩(wěn)定性 (PBTI, NBTI)

# PBTI/NBTI 恢復(fù)/切換效果

#  雙極/體二極管的穩(wěn)定性

# SiC 中的雙極/體二極管穩(wěn)定性

# 體二極管工作壽命 (BDOL)：對 SiC MOSFET 的獨(dú)特測試

# 為大功率耗散而設(shè)計(jì)的體二極管測試系統(tǒng)

? 3.3 kV MOSFET TJ測試期間：140 °C

? 3.3kV MOSFET 的認(rèn)證測試耗散 6 kW 

? 獨(dú)立電路板提供溫度監(jiān)控和-5V 柵極驅(qū)動(dòng)

# BDOL 測試顯示在第三象限運(yùn)行中完全穩(wěn)定

61 個(gè) 3.3 kV 和 65 個(gè) 10 kV MOSFET 在 1000 小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)零故障

# BDOL：在應(yīng)力檢測后得到的任何設(shè)備參數(shù)中均未發(fā)生變化

未顯示：

? MOSFET 閾值電壓沒有變化

? 在室溫下，后測 VSD（體二極管電壓）沒有變化

# 雙極穩(wěn)定性 – 可靠性影響

? 關(guān)于體二極管的重要說明：

– 如果 MOSFET 開始時(shí)沒有任何 BPD，則堆垛層錯(cuò)不會成核和生長，也不會發(fā)生雙極退化

– 因此，減少BPD的發(fā)生和篩查出BPD對于第三象限的可靠性非常重要！

? 可靠性影響：

- 相關(guān)文獻(xiàn)基本表明，兩極不穩(wěn)定不能加速

– 沒有已知的加速因素

– 沒有已知的預(yù)測生命周期模型

– 幸運(yùn)的是，大多數(shù)或所有故障都發(fā)生在 <~100 小時(shí) BDOL 壓力內(nèi)

– 雙極穩(wěn)定性是一種早期壽命失效機(jī)制，而不是磨損

– 為確保低 PPM 和 ELRF，需要嚴(yán)重依賴：

? 測試大樣本量

? 測試大型設(shè)備

? 測試更高電壓的設(shè)備

? 在生產(chǎn)中對 BPD 進(jìn)行積極和最先進(jìn)的篩選

# 柵極氧化層可靠性

# 介質(zhì)層時(shí)變擊穿法（TDDB）

# 基于物理的預(yù)測生命周期建模

? TDDB 測試與溫度和電壓的關(guān)系，用于構(gòu)建由 Joe McPherson（德州儀器可靠性研究員）發(fā)布的預(yù)測壽命模型：熱化學(xué)模型 - 與Si MOSFET 使用的模型相同！

? 生成的模型參數(shù)與Si相似

- 在相同的電場下，平面MOSFET上的碳化硅柵極氧化物可靠性與Si MOSFET相當(dāng)

# 反向偏置可靠性（HTRB）

# 加速壽命測試高溫反向偏置 (ALT-HTRB)

? 對于 Wolfspeed MOSFET，物理故障分析表明，故障是有源區(qū)的柵極氧化物擊穿，在氧化物電場最高的 JFET 間隙中

? 故障分析未發(fā)現(xiàn)以下證據(jù)：

– 邊緣終止擊穿

– 碳化硅擊穿

? 柵極氧化物磨損模型可用于壽命預(yù)測

# 濕度相關(guān)的可靠性

# 濕度相關(guān)的可靠性

? 與濕度有關(guān)的可靠性是所有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鑒定測試

? Wolfspeed E 系列器件已通過 85C/85%RH 壽命測試，沒有腐蝕跡象：

– Gen3 900 V MOSFET

– Gen4 1200 V 肖特基二極管

? SiC 的 THB 加速因子尚未確定，但它們可能與 Si 器件的加速因子相似，因?yàn)榻饘俸碗娊橘|(zhì)相似：

– 濕度：Peck 模型（冪律）

- 溫度：阿倫尼烏斯熱活化

? 具有良好的鈍化和器件設(shè)計(jì)，SiC 的濕度相關(guān)可靠性非常好

– 劣質(zhì)的鈍化膜、缺陷和污染可能導(dǎo)致問題出現(xiàn)

# 封裝可靠性

# 封裝可靠性：功率循環(huán)

? 功率循環(huán)測試引線鍵合熱機(jī)械疲勞磨損

? 使用本文和其他文件中描述的“LESIT 模型”

? 功率循環(huán)是芯片金屬化和引線鍵合的特性

? 并非 SiC 獨(dú)有：類似于 Si IGBT 和模塊中發(fā)生的情況

# 功率循環(huán)

# 針對示例操作條件的功率循環(huán)壽命預(yù)測

# 宇宙射線 / 中子 / SEB

# 地面中子

? 故障率隨時(shí)間變化 (FIT)：每十億設(shè)備小時(shí)故障）

? 故障是突然的，故障前幾乎沒有退化跡象

? 在中子束設(shè)施中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的建模以模擬地面中子的影響

加速因素：

? VDS

? 溫度（負(fù)值——越冷越差?。?/span>

? 海拔

# 地面中子

? Wolfspeed SiC MOSFET FIT 率：按有源面積縮放

? 故障率隨器件面積成比例增加

? 故障率隨著額定電壓的增加而降低

? Wolfspeed MOSFET 的 FIT/cm2 與 VDS對比

# 地面中子

- 所有器件的FIT率與活動(dòng)面積和漂移場（相對于雪崩）的比例相似

- 有源區(qū)和漂移設(shè)計(jì)可進(jìn)行定制，以滿足特定應(yīng)用的系統(tǒng)壽命要求

# 地面中子：MOSFET 和二極管

? MOSFET 和二極管顯示出相同的中子可靠性

? 有源面積和漂移效應(yīng)主導(dǎo)可靠性

? 故障分析未顯示 MOSFET 寄生 NPN 導(dǎo)通或柵極氧化層擊穿

# 地面中子實(shí)際失效機(jī)制

? 僅觀察到與漂移有關(guān)的故障
? 無柵極氧化擊穿

? 無寄生 NPN 導(dǎo)通

# 地面中子：SiC VS Si

? Si IGBT 表現(xiàn)出更劇烈的故障發(fā)生，但最大故障率更高

? SiC 和 Si 部件都可能需要 VDS 降額，但 SiC 更不受 VDS 過沖的影響

# 柵極電壓對中子擬合率沒有影響

# 產(chǎn)品認(rèn)證

# 典型產(chǎn)品

# 典型的 THB-80 評估

# 評估任務(wù)概況的方法

# 任務(wù)概況和可靠性預(yù)測

# 現(xiàn)場可靠性

# WOLFSPEED 功率場可靠性（截至 2021 年 4 月）

# 行業(yè)聯(lián)盟指南和標(biāo)準(zhǔn)

# 總結(jié)

# 總結(jié)

? SiC 功率器件與 Si 功率器件相比，還有一些獨(dú)特的可靠性考慮因素

? 可靠性評估需要全面和具體

? SiC 失效機(jī)制已確定，測試方法已開發(fā)，但仍需開展更多工作

? 成功的產(chǎn)品認(rèn)證和現(xiàn)場可靠性表明可靠性科學(xué)正在取得成效，并且 SiC 已準(zhǔn)備好用于高可靠性應(yīng)用的大批量制造——未來就是現(xiàn)在！

? 正在積極制定行業(yè)范圍內(nèi)的可靠性指南和標(biāo)準(zhǔn)

# 作者個(gè)人簡介：

參考來源：DONALD A. GAJEWSKI

DIRECTOR, RELIABILITY ENGINEERING & FAILURE ANALYSIS

部分編譯：芯TIP@吳晰