从Wolfspeed角度看SiC功率器件可靠性

来源：芯TIP

报告主题：从Wolfspeed角度看SiC MOSFET功率器件可靠性以满足特定应用要求

报告作者：DONALD A. GAJEWSKI

（DIRECTOR, RELIABILITY ENGINEERING & FAILURE ANALYSIS）

报告内容包含：（具体内容详见下方全部报告内容）

• MOSFET的显著特征和器件级故障机制

• 可靠性 101

  随时间变化的故障率：浴盆曲线

• 阈值电压稳定性

• 双极/体二极管的稳定性

• 栅极氧化层可靠性

• 反向偏置可靠性（HTRB）

• 湿度相关的可靠性

• 封装可靠性

  功率循环

• 现场可靠性

• 行业联盟指南和标准

• 总结

报告详细内容

# SiC MOSFET的显著特征

# 器件级故障机制

栅极氧化层磨损（TDDB & HTRB）

VTH 稳定性 (NBTI/PBTI)

中子SEB耐性（CR）

双极不稳定性：BPDs/SFs（BDOL）

湿度：泄漏/腐蚀（H3TRB）

# 可靠性 101

随时间变化的故障率：浴盆曲线

# 阈值电压稳定性

# 阈值电压稳定性（PBTI 或 NBTI）

随时间变化的阈值电压偏移 (ΔVT) 可以改变导通状态和/或阻断特性

这可能发生在 Si 或 SiC MOSFET 中

ΔVT与界面和氧化物陷阱有关 （填充/排空/创建）

Si MOSFET 的 ΔVT取决于 MOS 栅极电场、温度和时间

SiC MOSFET 比 Si MOSFET 具有更多陷阱 ；VT稳定性更值得关注

# PBTI、NBTI 测试程序

（加热样品至测试温度，并保持 T 恒定）

# SiC 功率 MOSFET 的阈值电压稳定性 (PBTI, NBTI)

# PBTI/NBTI 恢复/切换效果

#  双极/体二极管的稳定性

# SiC 中的双极/体二极管稳定性

# 体二极管工作寿命 (BDOL)：对 SiC MOSFET 的独特测试

# 为大功率耗散而设计的体二极管测试系统

• 3.3 kV MOSFET TJ测试期间：140 °C

• 3.3kV MOSFET 的认证测试耗散 6 kW 

• 独立电路板提供温度监控和-5V 栅极驱动

# BDOL 测试显示在第三象限运行中完全稳定

61 个 3.3 kV 和 65 个 10 kV MOSFET 在 1000 小时内实现零故障

# BDOL：在应力检测后得到的任何设备参数中均未发生变化

未显示：

• MOSFET 阈值电压没有变化

• 在室温下，后测 VSD（体二极管电压）没有变化

# 双极稳定性 – 可靠性影响

• 关于体二极管的重要说明：

– 如果 MOSFET 开始时没有任何 BPD，则堆垛层错不会成核和生长，也不会发生双极退化

– 因此，减少BPD的发生和筛查出BPD对于第三象限的可靠性非常重要！

• 可靠性影响：

- 相关文献基本表明，两极不稳定不能加速

– 没有已知的加速因素

– 没有已知的预测生命周期模型

– 幸运的是，大多数或所有故障都发生在 <~100 小时 BDOL 压力内

– 双极稳定性是一种早期寿命失效机制，而不是磨损

– 为确保低 PPM 和 ELRF，需要严重依赖：

› 测试大样本量

› 测试大型设备

› 测试更高电压的设备

› 在生产中对 BPD 进行积极和最先进的筛选

# 栅极氧化层可靠性

# 介质层时变击穿法（TDDB）

# 基于物理的预测生命周期建模

• TDDB 测试与温度和电压的关系，用于构建由 Joe McPherson（德州仪器可靠性研究员）发布的预测寿命模型：热化学模型 - 与Si MOSFET 使用的模型相同！

• 生成的模型参数与Si相似

- 在相同的电场下，平面MOSFET上的碳化硅栅极氧化物可靠性与Si MOSFET相当

# 反向偏置可靠性（HTRB）

# 加速寿命测试高温反向偏置 (ALT-HTRB)

• 对于 Wolfspeed MOSFET，物理故障分析表明，故障是有源区的栅极氧化物击穿，在氧化物电场最高的 JFET 间隙中

• 故障分析未发现以下证据：

– 边缘终止击穿

– 碳化硅击穿

• 栅极氧化物磨损模型可用于寿命预测

# 湿度相关的可靠性

# 湿度相关的可靠性

• 与湿度有关的可靠性是所有行业标准准则中的一个标准鉴定测试

• Wolfspeed E 系列器件已通过 85C/85%RH 寿命测试，没有腐蚀迹象：

– Gen3 900 V MOSFET

– Gen4 1200 V 肖特基二极管

• SiC 的 THB 加速因子尚未确定，但它们可能与 Si 器件的加速因子相似，因为金属和电介质相似：

– 湿度：Peck 模型（幂律）

- 温度：阿伦尼乌斯热活化

• 具有良好的钝化和器件设计，SiC 的湿度相关可靠性非常好

– 劣质的钝化膜、缺陷和污染可能导致问题出现

# 封装可靠性

# 封装可靠性：功率循环

• 功率循环测试引线键合热机械疲劳磨损

• 使用本文和其他文件中描述的“LESIT 模型”

• 功率循环是芯片金属化和引线键合的特性

• 并非 SiC 独有：类似于 Si IGBT 和模块中发生的情况

# 功率循环

# 针对示例操作条件的功率循环寿命预测

# 宇宙射线 / 中子 / SEB

# 地面中子

• 故障率随时间变化 (FIT)：每十亿设备小时故障）

• 故障是突然的，故障前几乎没有退化迹象

• 在中子束设施中根据经验确定的建模以模拟地面中子的影响

加速因素：

• VDS

• 温度（负值——越冷越差！）

• 海拔

# 地面中子

• Wolfspeed SiC MOSFET FIT 率：按有源面积缩放

• 故障率随器件面积成比例增加

• 故障率随着额定电压的增加而降低

• Wolfspeed MOSFET 的 FIT/cm2 与 VDS对比

# 地面中子

- 所有器件的FIT率与活动面积和漂移场（相对于雪崩）的比例相似

- 有源区和漂移设计可进行定制，以满足特定应用的系统寿命要求

# 地面中子：MOSFET 和二极管

• MOSFET 和二极管显示出相同的中子可靠性

• 有源面积和漂移效应主导可靠性

• 故障分析未显示 MOSFET 寄生 NPN 导通或栅极氧化层击穿

# 地面中子实际失效机制

• 仅观察到与漂移有关的故障
• 无栅极氧化击穿

• 无寄生 NPN 导通

# 地面中子：SiC VS Si

• Si IGBT 表现出更剧烈的故障发生，但最大故障率更高

• SiC 和 Si 部件都可能需要 VDS 降额，但 SiC 更不受 VDS 过冲的影响

# 栅极电压对中子拟合率没有影响

# 产品认证

# 典型产品

# 典型的 THB-80 评估

# 评估任务概况的方法

# 任务概况和可靠性预测

# 现场可靠性

# WOLFSPEED 功率场可靠性（截至 2021 年 4 月）

# 行业联盟指南和标准

# 总结

# 总结

• SiC 功率器件与 Si 功率器件相比，还有一些独特的可靠性考虑因素

• 可靠性评估需要全面和具体

• SiC 失效机制已确定，测试方法已开发，但仍需开展更多工作

• 成功的产品认证和现场可靠性表明可靠性科学正在取得成效，并且 SiC 已准备好用于高可靠性应用的大批量制造——未来就是现在！

• 正在积极制定行业范围内的可靠性指南和标准

# 作者个人简介：

参考来源：DONALD A. GAJEWSKI

DIRECTOR, RELIABILITY ENGINEERING & FAILURE ANALYSIS

部分编译：芯TIP@吴晰