浅谈SiC DHTRB动态偏压可靠性试验

2024-11-22

概述

碳化硅（SiC）器件由于其优异的物理和电学性能，在高温、高频和高功率应用中展现出巨大的潜力。然而，在实际运行过程中，这些器件会受到各种可靠性问题的影响，其中动态偏压可靠性是一个关键因素。

1. 动态偏压可靠性测试的基本概念

动态偏压可靠性测试是一个在器件关断状态下，施加0.8VDS,MAX甚至更高的脉冲电压应力，以加速器件的老化过程。这种测试方式能够模拟器件在实际应用中可能遇到的极端条件，从而评估器件的可靠性和寿命。

 

2. 动态偏压可靠性测试对SiC器件的影响

电参数退化：在动态偏压可靠性测试过程中，SiC器件的电参数（如阈值电压、导通电阻等）会发生退化。这是因为高压应力会导致器件内部的缺陷增多，进而影响其电学性能。

材料损伤：长期的高压应力会导致SiC材料内部的晶格缺陷和微观裂纹，这些损伤会逐渐积累，最终导 致器件的失效。

 

3. 物理机制分析

界面态增加：SiC器件中的氧化层与SiC界面处的缺陷在高压应力下会增多，形成界面态。这些界面态会影响器件的电学性能，导致阈值电压漂移和导通电阻增加。

陷阱效应：SiC材料中的陷阱在高压应力下会被激活，捕获和释放载流子，影响器件的开关速度和可靠性。

材料疲劳：长期的高压应力会导致SiC材料发生疲劳，积累的微观损伤最终导致材料性能退化。

 

4. Firstack-DHTRB测试

DHTRB代表动态高温反偏（Dynamic High Temperature Reverse Bias ），这是一种专门针对SiC功率半导体器件，如SiC MOSFET的可靠性测试方法。DHTRB测试通常在高温和动态偏压条件下进行，旨在评估器件在极端条件下的性能和稳定性。在DHTRB测试中，器件会被施加高频的电压应力，同时监测其关键参数，如阈值电压Vth、漏电流Idss、导通电阻Rdson、体二极管正向导压降Vsd等。这种测试方法能够模拟器件在实际应用中的工作情况，从而更准确地评估其长期可靠性和寿命。

Firstack SiC动态偏压可靠性设备，满足高dV/dt能力、高开关频率、实时监测、高精度测量、高可靠性等需求，为客户提供测试。

4.1 高dV/dt能力

图1-图3为带载Coss=200pF左右器件在960V 250kHZ工况下的实测波形，过冲为5.6％，上升沿dV/dt=93.55V/ns，下降沿dV/dt=74.01V/ns。

 图1  SiC动态偏压可靠性测试系统的带载200pF上升沿波形

 

  图2  SiC动态偏压可靠性测试系统的带载200pF下降沿波形

 

图3  SiC动态偏压可靠性测试系统的带载200pF 250kHZ波形

4.2 高开关频率

图4-图6为带载Coss=100pF左右器件在960V 500kHZ工况下的实测波形，此时过冲为6％，dV/dt=51.03V/ns，下降沿dV/dt=53.12V/ns）

 图4  SiC动态偏压可靠性测试系统的带载100pF 上升沿波形

 

图5  SiC动态偏压可靠性测试系统的带载100pF 下降沿波形

 

 

图6  SiC动态偏压可靠性测试系统的带载100pF 500kHZ波形

 

4.3 实时监测

Firstack SiC动态偏压可靠性设备，实现上位机实测数据、温度数据、测试数据的实时监测与保存，自动输出数据曲线，数据文档自动生成。

4.4 高精度测量

Firstack SiC动态偏压可靠性设备，可实现漏电电流在1nA-100mA的大范围，高精度采样，最小分辨率100pA；加热单工位独立控制，可实现最高250℃的加热工况。

4.5 高可靠性

Firstack SiC动态偏压可靠性设备，已在客户现场连续运行1000h以上无故障，保证客户的高可靠性要求。

5. 总结

动态可靠性测试是一种筛选过程，通过模拟器件在实际工作中的动态应力条件，可以剔除早期失效的器件，从而提高器件的可靠性和稳定性。动态可靠性测试可以加速故障暴露、实现性能评估、检验器件一致性、加速产品迭代、增加成本效益。

FirstackSiC动态偏压可靠性设备ME100DHTXB，通过高可靠性、高性能的DHTRB测试，满足AQG324的标准，帮助制造商可以更好地了解其产品的可靠性和耐久性，从而优化设计，提高产品质量，满足实际应用测试需求。

 

参考文献

[1]司乙川.平面栅极SiC垂直MOSFET功率器件栅氧可靠性筛选研究进展综述[J].中国集成电路,2024,33(09):16-23.

[2]安春光.基于失效物理的SiCMOSFET寿命预测与可靠性研究[D].东北电力大学,2023.DOI:10.27008/d.cnki.gdbdc.2023.000096.

[3]干货解读SiC Traction模块的可靠性基石AQG324,Bryan Lu，2023.07.24

[4]Schwabe C ,Seltner N ,Basler T .Reliability of SiC MOSFETs in the High Cycle Fatigue Regime under Fast Power Pulses[J].Solid State Phenomena,2024,3617-12.

[5]Martino E ,Kicin S ,Zong Y , et al.Dynamic Bias-Temperature Instability Testing in SiC MOSFETs[J].Solid State Phenomena,2024,36159-64.