宽禁带半导体（SiC）动态可靠性测试的挑战_NI.pdf

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1、宽宽禁带带半导导体（SiC）动动态态可靠性测试测试的挑战战NI 大客户经理 杨堃议程功率半导体的趋势SiC可靠性动态栅极应力测试动态高温高湿反偏测试NI动态可靠性测试方案功率半导体的趋势功率半导体和绿色能源交通出行，电梯，空调离不开功率半导体使用清洁能源，同时减少能源损耗电动汽车产业重新定义了功率半导体行业寻求更高的能源使用效率在过去的40年里，硅基晶体管和IGBT得到广泛的应用今天的应用，如热泵、光伏、电动汽车，甚至电动飞行器，智能电网，都需要用到这些硅基器件 更高的电压 更高的电流 更好的热性能 更少的能量损失 更加快的切换速度 更小的尺寸和重量更高的效率更高的效率早在上世界70年代，已经

2、开始将碳化硅作为新的宽禁带材料进行研究。待80年代开始在实验室条件下实行了应用从研究到市场，整整用了20多年 2001年业界第一款商业可用的碳化硅肖特基二极管问世使用宽禁带材料硅基半导体 Vs 宽禁带半导体未来宽禁带器件将会得到更广泛的应用目前在高性能应用上，已经看到非常多从硅到宽禁带的转变电动汽车行业是宽禁带功率半导体的主要驱动力，包括碳化硅和氮化镓Onsemi碳化硅可靠性可靠性测试 硅 Vs 碳化硅经过数十年来对硅材料的研究和现场应用经验，对其失效模型和发生概率的理解已经相当成熟基于对硅的深入认知，其可靠性测试可以进行优化：使用更高的加速因子进行测试使用更小的工程样片进行测试特定测试项可以

3、跳过 对于碳化硅和氮化镓这些都需要重新开始可靠性测试 硅 Vs 碳化硅对于碳化硅/氮化镓，我们需要重新验证和优化可靠性测试 不能简单的套用硅的测试标准碳化硅/氮化镓 更加深入的理解其失效模型 关于加速因子的相关数据 深入了解由宽禁带特性引起的新效应电动汽车市场缩短上市时间十分关键；电动汽车目前使用的碳化硅器件依然十分年轻，不超过十年；挑战：如何在短时间内测试完成对整个产品生命周期的挑战：对于汽车来说是20年 对于绿色能源逆变器是30年 测试1000h Vs 生命周期20年我们需要加速，在1000h内考证待测器件20年生命周期的可靠性 加速因子 x175 倍类比对椅子的可靠性测试 不断模拟人坐下

4、的机械动作 紫外线照射查看皮革编织物的褪色探索宽禁带器件可靠性测试接下来我们主要探索两种失效模型：模拟人们坐下椅子的动作=栅极开启关断 =动态栅极应力测试编织物的紫外光线照射 =在高湿环境下开启关断 =动态高温高湿反偏测试动态栅极应力测试 模拟器件栅极不断开启关断的过程 150 kHz to 500 kHz 0.1 to 1 V/ns dV/dt VGS,min/max DatasheetDUT动态栅极应力测试动态栅极应力测试 模拟器件栅极不断开启关断的过程 测试阈值电压VGS,th和 导通电阻RDS,on温度控制温度控制 100 ms Pre-Conditioning VGS,th 10 m

5、A VGS,th(up/down)动态栅极应力测试的意义 常规工况下就会发生的效应 不影响器件使用寿命，但是会降低器件性能 实际的测试结果表明静态栅极应力测试无法 替代动态栅极应力测试+15%1/10th of car life灵活实时在线测量的能力 自由配置的测量时序 采样间隔稳定可配置温度因素对测试结果产生显著的影响结果出现反转现象被掩盖没有正常的预处理会引入显著的误差干扰1 V 噪声 100 小时测试动态栅极应力测试需求温度控制能力 主动控温 记录温度数值避免电压过冲VGS0 Vt特别是负过冲，会给测试结果带来很大的影响动态栅极应力测试需求不同厂商碳化硅器件的动态栅极测试结果2 DUTs

6、VGS,th-=13.2 V3 DUTsVGS,th-9.5 V to 10 V阈值电压和导通电阻相关性如预期一样，VGS,th-和 RDS,on有直接联系3.251011 周期周期(车的生命周期大概为5.761011 cycles)阈值电压和导通电阻RDS,on 的漂移 和 VGS,th 漂移成指数关系动态栅极应力测试 长期漂移特性漂移会停止漂移会停止吗吗?测试开始时间:2021-12-17 结果报告时间:2023-03-09 温度:25 C 应力频率:400 kHz 周期数:7.71012 个周期/大约为13.4 个汽车的生命周期动态栅极应力测试 长期漂移漂移会停止漂移会停止吗吗?1 ca

7、r life10 carlives1/10 car life从斜率的上看，没有看到任何可能会停止的迹象动态栅极应力测试小结建议的测试参数ParameterValueRemark测试时长5.761011 循环或参考使用具体工况测试温度25 C 5 K,测试过程稳定 1 K 温度变化敏感栅极电压VGS,max;VGS,min无过冲栅极频率150 kHz to 300 kHz,50%DC加速因子栅极瞬态0.1 1 V/ns无过冲测量值测量值测量周期测量周期备注备注VGS,th开始,结束(至少)每隔5分钟(建议值)观察迟滞现象的趋势RDS,on开始,结束(至少)每隔5分钟(建议值)-动态高温高湿反偏测

8、试 测试待测物由于湿度和温度的老化 需要施加高压 典型参数:环境:85 C,85%相对湿度电压:80%to 100%VDS,max时间:1000 h Quelle:静态高温高湿反偏测试 由于碳化硅（SiC）能够承受更高的电压开关能力，更快的切换速度，且尺寸更小，因此极端的场变化会对材料产生更大的应力 采用与硅相同的方式进行测试，则弱化了实际工况中产生的应力程度 这些快速的场变化会导致额外的腐蚀效应，并可能影响绝缘材料动态高温高湿反偏测试动态高温高湿反偏测试AQG 324中定义了动态高温高湿反偏测试进行动态高温高湿反偏测试配置 过冲:0.8 to 0.95 VDS,max (动态反偏测试&动态高

9、温高湿反偏测试)VStress:0.8 VDS,max(动态反偏测试)/0.5 VDS,max(动态高温高湿反偏测试)1stminima 0.5 VStressVDS0.8 VDS,maxPeak0.8 to 0.95 VDS,max1st minima 0.5 x VStress进行动态高温高湿反偏测试配置测量 dV/dt 以第一个峰值为基准的最小值10%到最大值90%；示波器和探头的带宽不会导致信号的失真；90%10%进行动态高温高湿反偏测试配置 待测器件处于关闭状态，激励信号由外部提供DUT passiveDUT active Climatic chamberClimatic chamb

10、er 待测器件组成半桥，处处在工作状态总结 动态高温高湿反偏/动态反偏测试建议的测试参数参数参数数数值值备注备注测试时间 1000 h测试环境Dyn.H3TRB:85 C/85%relative humitidyDRB:25C应力电压动态高温高湿反偏:VDS 0.5 VDS,max动态反偏:VDS 0.8 VDS,max过冲:0.8 to 0.95 VDS,max测量前需关注波形；使用10%90%来计算Gate voltageVGS,off:VGS,min.recomVGS,on:VGS,max避免过冲测量测量测量周期测量周期备注备注IDS,leak开始,结束(至少)每隔5分钟(建议值)在击穿

11、前停止测试，以便分析失效原因DUT passiveDUT active NI动态可靠性测试方案NI/SET 宽禁带器件可靠性测试完整方案概览:自动化测试，软件可配置 轻松扩展和规模化 标准化的测试接口板，最小化定制适配工作:分立器件 半桥模块 三相全桥模块遵循遵循AQG324标准定义标准定义：AQG-324:QL-01,QL-02 AQG-324:QL-05,QL-06,QL-07 AQG-324:QL-06a AQG-324:QL-05a,QL-07a AEC-Q101:#10NIs Power Reliability Offering动态栅极应力测试 主要主要应用应用电力电子认证栅氧可靠性

12、测试遵循AQG 324 QL-06a规范 主要性能指主要性能指标标最高支持240通道软件可定义栅极电压 Vgs=30V max可在300KHZ频率下提供高 dv/dt 激励主动加热冷却温度范围 20C to 200CDGS/dyn HTGB动态高温高湿反偏/动态反偏主要应用 电力电子认证遵循AQG324测试规范电动汽车/可再生能源主要特性主要特性:最高支持240通道支持DUT主动/被动模式激励电压高达1500V独立通道保护漏电流测试动态高温高湿反偏/动态反偏测试系统测试服务 测试设置和执行的工程支持 可根据具体应用提供定制化 提供相近测试报告 适配各类不同封装支持的支持的测试标准测试标准:Power cycling:AQG-324:QL-01,QL-02 HTRB:AQG-324:QL-05,DRB:AQG-324:QL-05a HTGB:AQG-324:QL-06 DGS:AQG-324:QL-06a H3TRB:AQG-324:QL-07 Dyn.H3TRB:AQG-324:QL-07a IOL:AEC-Q101NIs Power Reliability Offering关注NI微信公众号【恩艾在您身边边】会后获获取技术术演讲讲义讲讲义及更多干货货内容