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华电学者发表研究成果,揭示不同老化试验方法下的SiC MOSFET失效机理

发布日期:2021-04-19 浏览量:51

原创  电气技术杂志社  电工技术学报

SiC MOSFET中的界面陷阱会造成阈值电压漂移,为探究和对比SiC MOSFET在不同老化试验方法下的失效机理和失效表征参数的变化规律,新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)、华电(烟台)功率半导体技术研究院有限公司的研究人员陈杰、邓二平、赵子轩、吴宇轩、黄永章,在2020年第24期《电工技术学报》上撰文,对SiC MOSFET在不同导通模式下进行功率循环试验,基于不同导通模式下的特性分析,重点对比正向MOSFET模式和体二极管模式,提出了一种判断准则以及相应的功率循环试验方法,可以将阈值电压漂移对试验结果的影响最小化,并在老化试验过程中实现结温、通态压降和热阻的在线测量。研究结果表明,在两种模式下失效方式均为键合线老化,但是老化后的电热反馈机制不同,造成其退化规律和寿命不同,相同热力条件下体二极管模式下的寿命约为正向MOSFET模式下的两倍。

近年来,随着碳化硅(SiC)在材料生长和器件加工方面取得长足的进步,基于SiC材料的功率半导体器件在众多领域展现出越来越多的应用,例如金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。SiC MOSFET以其高临界击穿场强、高开关频率、耐高温等突出优点,更加适合高压、高频、高温等应用场合。随着SiC MOSFET的逐步商业应用,其长期运行可靠性问题开始受到了学术界和工业界的重视。

尽管SiC材料能够耐受高温,理论上可以达到500℃,但是受限于封装技术等方面的制约,目前SiC器件仍采用传统Si器件的封装技术,无法发挥其高温工作的特性,市面上SiC MOSFET产品的最高工作温度均没有超过200℃,因此可以认为,封装技术是限制SiC器件在高温下应用的主要原因。同时,由于制造成本高,SiC芯片面积较小,这将意味着相对较高的功率密度和工作温度。而且较之于Si芯片,SiC芯片的杨氏模量更大(大约是前者的3倍)。这些问题将导致SiC器件在工作过程中更容易出现因热应力产生的封装材料老化问题,可靠性问题更加严峻。

功率循环试验是研究热应力加速老化试验条件下可靠性的有效方法,是进行器件失效机理分析和寿命评估最有效的手段。通过给被测器件施加相应的负载电流使得器件结温升高达到指定结温,然后切断负载电流使其降温,如此反复升温和降温过程以达到使器件老化的目的,也称为主动温度循环。

目前,主流功率循环试验主要让器件工作在导通模式,依靠导通损耗来产生结温波动。对于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和二极管这种单一导通模式的器件,功率循环试验方法是确定的。MOSFET由于元胞结构的特点,存在正向MOSFET模式、反向MOSFET模式和体二极管模式三种导通模式。不同导通模式下器件的特性不同,导致功率循环试验方法不同,由此产生的失效机理和寿命可能会存在差异。有学者对MOSFET器件的功率循环试验方法也没有明确规定,并且提到可以使用体二极管模式,由此造成不同试验方法之间具有等效性的错觉,然而目前并没有相关研究对此进行分析。

另外,传统的基于Si器件的功率循环试验方法和失效标准可能不适用于新型的SiC MOSFET器件。众所周知,SiC MOSFET区别于Si MOSFET的一个重要特征是SiC/SiO2界面存在着大量的界面陷阱。界面陷阱能够捕获沟道载流子,造成阈值电压漂移,漂移程度很大程度上取决于施加的栅极电压。在正向栅极偏压下,界面缺陷捕获沟道中的电子造成阈值电压正向漂移,而在反向栅极偏压下,界面缺陷捕获沟道中的空穴造成阈值电压反向漂移。阈值电压漂移最直接的影响就是造成芯片通态电阻的变化,进而影响通态压降和结温,给SiC MOSFET功率循环试验增加了难度。

 

华北电力大学的研究人员对SiC MOSFET在不同导通模式下进行了功率循环试验,探究和对比了其在不同老化试验方法下的失效机理和失效表征参数的变化规律。

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图1 实验装置实物

 

首先,基于器件在不同导通模式下的特性分析,重点对比正向MOSFET模式和体二极管模式,其中体二极管模式下的功率循环方法简单且容易实现,而正向MOSFET模式下,为了将阈值电压漂移的影响最小化,提出了一种判断准则以及相应的功率循环试验方法,并在老化试验过程中实现结温、通态压降和热阻的在线测量。最后,基于实验结果,分析了不同功率循环试验方法对器件的老化规律、失效机理及寿命的影响,为SiC MOSFET的功率循环试验老化方法提供了理论指导,并揭示了影响SiC MOSFET封装可靠性的主要因素。

SiC MOSFET凭借其优异的电热特性,正逐渐投入市场,长期运行的可靠性成为关注的重点,功率循环试验是考核器件可靠性最重要的老化试验。MOSFET具有三种导通模式,分别对应三种不同的功率循环测试方法。华北电力大学的研究人员对SiC MOSFET在正向MOSFET模式和体二极管模式下进行功率循环试验,对比分析不同试验方法对器件的老化规律、失效机理及寿命的影响,从实验结果中得到如下结论:

1)小电流下体二极管压降可以作为温敏电参数用于SiC MOSFET的结温测量,应用该方法时栅极需要加一定的负压使沟道区被彻底关断。
2)阈值电压漂移几乎与栅极电压的大小和持续时间成正比,当正向偏压的大小和持续时间的乘积与反向偏压的大小和持续时间的乘积相同时,可以使得阈值电压漂移最小化,隔离其对键合线失效表征参数通态压降的影响。
3)正向
MOSFET模式下通态压降具有正温度特性,当键合线出现老化之后,电热正反馈机制会加速老化过程,而二极管模式下通态压降具有负温度特性,由此产生的负反馈机制能够抑制老化进程,对老化起到一定的补偿作用。
4)对于具有电热负反馈机制的二极管模式,传统标准中通态压降超过初始值5%即定义为失效,会低估器件的功率循环寿命,当考虑有效循环寿命,在相同热力条件下,二极管模式下的寿命约为正向
MOSFET模式下的两倍。

 

以上研究成果发表在2020年第24期《电工技术学报》,论文标题为“不同老化试验方法下SiC MOSFET失效机理分析”,作者为陈杰、邓二平、赵子轩、吴宇轩、黄永章。

 

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