新型功率器件的老化特性：HTOL高溫工況老化測試

隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型功率器件如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）因其優(yōu)異的性能被廣泛應用于各種電子設備中。然而，這些器件在長(cháng)期連續使用后會(huì )出現老化現象，導致性能退化。如何在短時(shí)間內準確評估這些器件的老化特性，成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，針對功率器件的老化測試主要包括多種不同的測試方式。其中，JEDEC制定的老化測試標準（如HTGB、HTRB、H3TRB和功率循環(huán)測試）主要針對傳統的硅基功率器件。對于新型的SiC等功率器件，AQG-324標準進(jìn)一步要求增加動(dòng)態(tài)老化測試，如動(dòng)態(tài)柵偏和動(dòng)態(tài)反偏測試。

這些傳統測試方法大多采用單一應力條件對功率器件進(jìn)行加速老化，并通過(guò)測試某一特定指標來(lái)了解器件的老化情況。然而，由于應力條件的單一性，這些方法在老化測試過(guò)程中難以全面評估器件的性能。特別是在面對新型功率器件時(shí)，傳統的單一應力測試方法可能無(wú)法發(fā)現潛在的缺陷問(wèn)題，從而無(wú)法準確預測器件在實(shí)際使用中的長(cháng)期可靠性。

新型老化測試方法：高溫工況老化測試（HTOL）

為了更全面地評估功率器件的老化特性，高溫工況老化測試（HTOL）逐漸受到功率器件測試工程師的關(guān)注。HTOL通過(guò)將功率器件放置在實(shí)際的電源電路中，模擬其在工況狀態(tài)下的工作條件。通過(guò)連續的硬開(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)電路施加應力進(jìn)行老化測試，HTOL能夠提供更加接近真實(shí)使用場(chǎng)景的老化效果，從而更準確地反映器件在綜合應力條件下的表現。

以硬開(kāi)關(guān)老化為例，參考JEP182標準給出的幾種HTOL測試拓撲結構，被測器件可以在電路中分別處于硬開(kāi)關(guān)、軟開(kāi)關(guān)和阻性負載開(kāi)關(guān)組成的不同拓撲電路結構中。這種測試方法能夠更全面地模擬器件在實(shí)際應用中的工作狀態(tài)，從而更有效地評估其長(cháng)期可靠性。

以上圖（a）為例，電路結構類(lèi)似雙脈沖形式，在上管回路中加入功率電阻，用來(lái)在續流階段消耗電感能量，以保證在連續開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流平衡。由于電感L的能量在電阻R上耗散掉，因此電阻R會(huì )大量發(fā)熱，導致在大功率測試條件下需要使用大尺寸的散熱片，導致電路體積增大，并嚴重限制電路運行的總功率，無(wú)法讓芯片工作在高壓和大電流的條件下。

為了提高老化效率，增強老化過(guò)程中的應力條件，讓功率器件工作在更接近真實(shí)場(chǎng)景的條件下，我們可以進(jìn)一步改進(jìn)測試電路。為了降低散熱，提高電路工作效率，我們將老化電路中的電阻負載去除，通過(guò)使用電感負載，讓功率器件工作在硬開(kāi)關(guān)條件下，同時(shí)避免能量轉變?yōu)闊崃亢纳ⅰ?/p>

我們可通過(guò)控制四個(gè)功率器件開(kāi)關(guān)的先后順序，使Q1/Q4工作在連續硬開(kāi)關(guān)條件下，Q2/Q3工作在續流狀態(tài)，從而實(shí)現無(wú)電阻負載的連續硬開(kāi)關(guān)電路。我們以量芯微650V GaN HEMT器件為例，進(jìn)行HTOL測試，開(kāi)關(guān)頻率控制在100KHz。在連續因開(kāi)關(guān)過(guò)程中，使用示波器（泰克公司）、高壓電源（EA 1500V高壓直流電源）、鉗位測試探頭（湖南欄海電氣，小于100ns穩定時(shí)間），測量功率器件在到通過(guò)程中的導通電阻變化趨勢，了解功率器件的老化過(guò)程。

實(shí)際測試案例與結果分析

以量芯微650V GaN HEMT器件為例，進(jìn)行HTOL測試。測試中，使用泰克公司的示波器、EA 1500V高壓直流電源和湖南欄海電氣的鉗位探頭，測量功率器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的導通電阻變化趨勢。通過(guò)控制功率器件開(kāi)關(guān)的先后順序，實(shí)現無(wú)電阻負載的連續硬開(kāi)關(guān)電路。測試結果顯示，在61小時(shí)的測試過(guò)程中，GaN器件與CREE公司的SiC MOSFET的動(dòng)態(tài)導通電阻基本保持穩定，未出現明顯抬升。進(jìn)一步提高測試電壓至520V后，經(jīng)過(guò)245小時(shí)的測試，動(dòng)態(tài)導通電阻出現緩慢上升，但整體仍保持在合理范圍內。通過(guò)線(xiàn)性擬合，可預測器件在特定條件下的連續工作壽命。

下圖為使用泰克MSO58B系列示波器測試動(dòng)態(tài)導通電阻波形，我們通過(guò)導通電壓與導通電流相除，得到特定位置的動(dòng)態(tài)導通電阻阻值。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間測試后，可以看到動(dòng)態(tài)導通電阻的相對漂移情況

在測試過(guò)程中，功率器件連續硬開(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生開(kāi)關(guān)功率損耗導致自身發(fā)熱，為了避免發(fā)熱導致的結溫變化影響功率器件特性改變，我們通過(guò)外加紅外溫度測試的方式，監控器件殼溫，并通過(guò)風(fēng)扇散熱建立控溫閉環(huán)回路，確保長(cháng)時(shí)間工作時(shí)功率器件的結溫穩定。

第一次測試中，我們選擇量芯微 TO-247-4 封裝的 GaN 功率器件與CREE公司的 C3M0040120D（1200V/66A）SiC MOSFET進(jìn)行對比測試，測試條件一致，均為器件殼溫80℃，開(kāi)關(guān)頻率100KHz，工作電流15A，工作電壓400V。在61小時(shí)的測試過(guò)程中，我們比對兩種不同類(lèi)型器件的動(dòng)態(tài)導通電阻變化曲線(xiàn)，如下圖所示（縱軸為導通電阻，單位是毫歐）：其中藍色曲線(xiàn)為 CREE SiC 器件動(dòng)態(tài)導通電阻測試結果，約為110毫歐。紅色曲線(xiàn)為GaN器件動(dòng)態(tài)導通電阻測試結果約為54毫歐，曲線(xiàn)最前面的脈沖尖峰是測試過(guò)程中調整測試參數導致的。在同樣時(shí)間段內，兩顆器件的動(dòng)態(tài)導通電阻基本保持穩定，測試過(guò)程中均未出現明顯的抬升。

在上述老化過(guò)程中，直流電源輸出電壓400V，直流電流小于100mA，測試過(guò)程中單顆器件的系統直流功耗不到40W，相比傳統HTOL老化電流，大幅度節省了電源功耗，降低測試成本。

為了進(jìn)一步提高老化速度，看到更加明顯的老化效果，第二次測試中我們選擇工作電壓作為老化加速因子，將測試電壓從400V 提高至520V，其他測試條件不變，再次進(jìn)行測試。HTOL 總運行時(shí)間增加為 245 小時(shí)，共記錄29100個(gè)動(dòng)態(tài)導通電阻測試結果，每個(gè)測試結果的時(shí)間間隔為30s。

上圖中顯示了在大約10天的連續測試中，其中縱軸數據為動(dòng)態(tài)導通電阻測試結果，橫軸為測試樣點(diǎn)序號，被測功率器件的動(dòng)態(tài)導通電阻變化曲線(xiàn)如圖中所示。由于測試環(huán)境中晝夜溫度的變化對測試電路的影響，導致測試結果中出現周期性的起伏波動(dòng)，但長(cháng)期趨勢可以看出動(dòng)態(tài)導通電阻在緩慢上升。與下圖同期北京天氣數據對比，可以看到起伏規律基本相同，可以確認環(huán)境溫度對測試結果會(huì )產(chǎn)生一定影響。

通過(guò)對測試結果的數據進(jìn)行線(xiàn)性擬合，可以得到動(dòng)態(tài)導通電阻上升的斜率約為6.93*E-5。假設功率器件動(dòng)態(tài)導通電阻上升30%時(shí)，器件壽命達到極限。那么按照520V，15A，器件殼溫80℃，50%占空比的測試條件下，器件連續工作壽命可以達到 1724 小時(shí)?？紤]到該器件的實(shí)際工作電壓為400V，在正常工況下的連續工作時(shí)間會(huì )遠長(cháng)于這個(gè)數值。

通過(guò)實(shí)際測試數據，可以看出量芯微提供的650V高壓GaN器件在老化特性上與SiC器件基本達到了同樣的品質(zhì)水平，當工作電壓提升至520V時(shí)，可以看到導通電阻雖然出現緩慢提升，但仍可以保持較長(cháng)的工作壽命。通過(guò)類(lèi)似HTOL老化測試方法，可以幫助我們在較短的時(shí)間內了解新型功率器件的老化過(guò)程和性能退化情況，幫助研發(fā)和設計工程師快速改進(jìn)設計，提升產(chǎn)品性能。

泰克創(chuàng )新實(shí)驗室：助力功率器件測試與評估

泰克創(chuàng )新實(shí)驗室V2.0經(jīng)過(guò)全面升級，設備更新且測試能力大幅提升，能夠滿(mǎn)足第三代半導體功率器件的多樣化測試需求。此次升級涵蓋了GaN器件開(kāi)關(guān)測試、動(dòng)態(tài)導通電阻測試、SiC功率器件的短路測試和雪崩測試，以及更全面的靜態(tài)參數和電容參數測試系統。此外，實(shí)驗室還引入了全新的可靠性測試系統，專(zhuān)注于第三代半導體功率器件的性能評估。

實(shí)驗室特別引入了高溫度操作壽命（HTOL）測試方法，能夠模擬器件在實(shí)際工作環(huán)境下的老化過(guò)程，通過(guò)高溫加速器件退化，快速獲取老化特性數據。這些數據不僅具有較高的說(shuō)服力，還能為產(chǎn)品的保修期限和維護計劃提供重要指導。HTOL測試還能預測器件在特定工作條件下的預期壽命，幫助設計者在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和優(yōu)化過(guò)程中做出精準決策。

泰克創(chuàng )新實(shí)驗室致力于為客戶(hù)提供精確的評估和專(zhuān)業(yè)的指導，幫助他們快速改進(jìn)設計，提升產(chǎn)品性能。如果您想評估第三代半導體器件性能，驗證所選功率器件是否符合產(chǎn)品設計要求，歡迎免費預約泰克先進(jìn)半導體開(kāi)放實(shí)驗室，體驗專(zhuān)家指導下的精確評估服務(wù)。