英飞凌：英飞凌如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性白皮书（44页）.pdf

1、 v1.0 英飞凌如何控制和保证基于 SiC 的功率半导体器件的可靠性 白皮书 07-2020 英飞凌如何控制和保证基于 SiC 的功率半导体器件的可靠性 2 07-2020 Table of Contents 1 引言 3 2 基于 SiC 的器件为何需要进行一些不同于硅器件的额外可靠性试验？4 3 工业级 SiC MOSFET 的栅极氧化层可靠性 失效率和寿命 5 3.1 SiC MOSFET 的栅极氧化层可靠性简介 5 3.2 SiC MOSFET 栅极氧化层可靠性筛查的基本方面 5 3.3 用于外部栅极氧化层可靠性评价的应力试验 7 3.3.1 马拉松应力试验 7 3.3.2 栅极电压

2、步进应力试验 8 3.4 结论 10 4 工业级 SiC MOSFET 的栅极氧化层可靠性 偏压温度不稳定性（BTI）11 4.1 SiC MOSFET 在恒定栅极偏压条件下的参数变化（DC BTI）11 4.1.1 DC BTI 简介 11 4.1.2 测量 SiC 功率器件的 DC BTI 11 4.1.3 SiC 和 Si 功率 MOSFET 的 DC BTI 比较 13 4.2 SiC MOSFET 在实际应用栅极开关运行条件下的参数变化（AC BTI）16 4.2.1 简介 16 4.2.2 AC BTI 建模 16 4.2.3 AC BTI 的基本特点 17 5 碳化硅的抗宇宙射线

3、能力 22 6 CoolSiC MOSFET 的抗短路能力 25 7 SiC 体二极管双极退化 27 7.1 机制 27 7.2 在应用中的影响 28 7.3 CoolSiC MOSFET 消除风险的策略 28 8 产品级别的质量认证 29 8.1 根据实际应用条件进行超越当前标准的测试 29 8.2 AC-HTC 试验方法 32 8.3 秒级功率循环试验 32 8.4 长期应用试验 34 9 汽车级认证：超越标准的方法 35 9.1 汽车级 SiC 客户需要更高的现场应用可靠性 37 9.2 汽车零部件对湿度的耐受力不打折扣 37 10 SiC 器件可靠性和质量认证的行业标准 39 英飞凌如

4、何控制和保证基于 SiC 的功率半导体器件的可靠性 3 07-2020 1 引言 英飞凌基于 CoolSiC沟槽栅的碳化硅功率 MOSFET，凭借杰出的系统性能，在功率转换开关器件的优值系数（FOM）值上取得了巨大改进。这能给许多应用带来更高的效率和功率密度，以及更低的系统成本。该技术也可为创造更多新应用和新拓扑带来可能。然而，与所有新技术一样，碳化硅功率 MOSFET 必须全面严格地遵循技术开发和产品质量检验程序。唯有如此才能达到功率转换系统的设计寿命和质量要求。尽管与硅技术有相似之处例如，垂直型器件结构，含有 SiO2等天然氧化物，及大多数工艺步骤等，但这些新功率器件在材料特性和运行模式上

5、仍有重要的区别。由于存在这些实质性的差异，所以必须仔细考虑它们在最终应用时的运行模式，以及所需的开发和可靠性鉴定程序会受到什么影响。本文着重讲述英飞凌在产品发布过程中用于评价 CoolSiC技术和产品质量合格所需经历的主要流程步骤。本文还涉及到主要的失效机制，以及用于确保在各种应用中安全可靠运行的方法。通过这种方式，我们避免了客户可能遇到的许多风险，并为可靠地使用英飞凌 CoolSiC技术提供了一条安全的路径。本文对于有兴趣更好地了解碳化硅技术的可靠性的工程师也有指导价值。英飞凌如何控制和保证基于 SiC 的功率半导体器件的可靠性 4 07-2020 2 基于 SiC 的器件为何需要进行一些不

6、同于硅器件的额外可靠性试验？SiC 能作为功率器件原材料的原因之一是，它能借用硅器件的许多著名概念和工艺技术，其中包括基本的器件设计，如垂直型肖特基二极管或垂直型功率 MOSFET（对 JFET 和 BJT 进行一些改进后获得的替代结构）。因此，用于验证硅器件长期稳定性的许多方法可以直接用到 SiC 上。但更深入的分析表明，基于SiC 的器件还需要进行一些不同于 Si 器件的额外可靠性试验。有必要进行这些测试的项目包括：材料本身及其具有的特定缺陷结构、各向异性、机械性能和热性能等 更大的带隙及其对 MOS 器件的界面陷阱密度和动力特性的影响 材料本身及外部界面如器件边缘（包括新边缘端设计）最多