從Wolfspeed角度看SiC功率器件可靠性

來(lái)源：芯TIP

報告主題：從Wolfspeed角度看SiC MOSFET功率器件可靠性以滿(mǎn)足特定應用要求

報告作者：DONALD A. GAJEWSKI

（DIRECTOR, RELIABILITY ENGINEERING & FAILURE ANALYSIS）

報告內容包含：（具體內容詳見(jiàn)下方全部報告內容）

• MOSFET的顯著(zhù)特征和器件級故障機制

• 可靠性 101

  隨時(shí)間變化的故障率：浴盆曲線(xiàn)

• 閾值電壓穩定性

• 雙極/體二極管的穩定性

• 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)

• 現場(chǎng)可靠性

• 行業(yè)聯(lián)盟指南和標準

• 總結

報告詳細內容

# SiC MOSFET的顯著(zhù)特征

# 器件級故障機制

柵極氧化層磨損（TDDB & HTRB）

VTH 穩定性 (NBTI/PBTI)

中子SEB耐性（CR）

雙極不穩定性：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(xiàn)

# 閾值電壓穩定性

# 閾值電壓穩定性（PBTI 或 NBTI）

隨時(shí)間變化的閾值電壓偏移 (ΔVT) 可以改變導通狀態(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(chǎng)、溫度和時(shí)間

SiC MOSFET 比 Si MOSFET 具有更多陷阱 ；VT穩定性更值得關(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 的閾值電壓穩定性 (PBTI, NBTI)

# PBTI/NBTI 恢復/切換效果

#  雙極/體二極管的穩定性

# SiC 中的雙極/體二極管穩定性

# 體二極管工作壽命 (BDOL)：對 SiC MOSFET 的獨特測試

# 為大功率耗散而設計的體二極管測試系統

? 3.3 kV MOSFET TJ測試期間：140 °C

? 3.3kV MOSFET 的認證測試耗散 6 kW 

? 獨立電路板提供溫度監控和-5V 柵極驅動(dòng)

# BDOL 測試顯示在第三象限運行中完全穩定

61 個(gè) 3.3 kV 和 65 個(gè) 10 kV MOSFET 在 1000 小時(shí)內實(shí)現零故障

# BDOL：在應力檢測后得到的任何設備參數中均未發(fā)生變化

未顯示：

? MOSFET 閾值電壓沒(méi)有變化

? 在室溫下，后測 VSD（體二極管電壓）沒(méi)有變化

# 雙極穩定性 – 可靠性影響

? 關(guān)于體二極管的重要說(shuō)明：

– 如果 MOSFET 開(kāi)始時(shí)沒(méi)有任何 BPD，則堆垛層錯不會(huì )成核和生長(cháng)，也不會(huì )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)文獻基本表明，兩極不穩定不能加速

– 沒(méi)有已知的加速因素

– 沒(méi)有已知的預測生命周期模型

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

– 雙極穩定性是一種早期壽命失效機制，而不是磨損

– 為確保低 PPM 和 ELRF，需要嚴重依賴(lài)：

? 測試大樣本量

? 測試大型設備

? 測試更高電壓的設備

? 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）

# 基于物理的預測生命周期建模

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

? 生成的模型參數與Si相似

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

# 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，故障是有源區的柵極氧化物擊穿，在氧化物電場(chǎng)最高的 JFET 間隙中

? 故障分析未發(fā)現以下證據：

– 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)標準準則中的一個(gè)標準鑒定測試

? Wolfspeed E 系列器件已通過(guò) 85C/85%RH 壽命測試，沒(méi)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，因為金屬和電介質(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計，SiC 的濕度相關(guān)可靠性非常好

– 劣質(zhì)的鈍化膜、缺陷和污染可能導致問(wèn)題出現

# 封裝可靠性

# 封裝可靠性：功率循環(huán)

? 功率循環(huán)測試引線(xiàn)鍵合熱機械疲勞磨損

? 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(xiàn)鍵合的特性

? 并非 SiC 獨有：類(lèi)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)壽命預測

# 宇宙射線(xiàn) / 中子 / SEB

# 地面中子

? 故障率隨時(shí)間變化 (FIT)：每十億設備小時(shí)故障）

? 故障是突然的，故障前幾乎沒(méi)有退化跡象

? 在中子束設施中根據經(jīng)驗確定的建模以模擬地面中子的影響

加速因素：

? VDS

? 溫度（負值——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(zhù)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(chǎng)（相對于雪崩）的比例相似

- 有源區和漂移設計可進(jìn)行定制，以滿(mǎn)足特定應用的系統壽命要求

# 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主導可靠性

? 故障分析未顯示 MOSFET 寄生 NPN 導通或柵極氧化層擊穿

# 地面中子實(shí)際失效機制

? 僅觀(guān)察到與漂移有關(guān)的故障
? 無(wú)柵極氧化擊穿

? 無(wú)寄生 NPN 導通

# 地面中子：SiC VS Si

? Si IGBT 表現出更劇烈的故障發(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(guò)沖的影響

# 柵極電壓對中子擬合率沒(méi)有影響

# 產(chǎn)品認證

# 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)概況和可靠性預測

# 現場(chǎng)可靠性

# WOLFSPEED 功率場(chǎng)可靠性（截至 2021 年 4 月）

# 行業(yè)聯(lián)盟指南和標準

# 總結

# 總結

? SiC 功率器件與 Si 功率器件相比，還有一些獨特的可靠性考慮因素

? 可靠性評估需要全面和具體

? SiC 失效機制已確定，測試方法已開(kāi)發(fā)，但仍需開(kāi)展更多工作

? 成功的產(chǎn)品認證和現場(chǎng)可靠性表明可靠性科學(xué)正在取得成效，并且 SiC 已準備好用于高可靠性應用的大批量制造——未來(lái)就是現在！

? 正在積極制定行業(yè)范圍內的可靠性指南和標準

# 作者個(gè)人簡(jiǎn)介：

參考來(lái)源：DONALD A. GAJEWSKI

DIRECTOR, RELIABILITY ENGINEERING & FAILURE ANALYSIS

部分編譯：芯TIP@吳晰