传统Si基功率器件的失效模式多以静态电应力下的老化为主要方式,如热载流子注入、栅介质经时击穿等。这些失效模式可以通过HTRB、HTGB等静态可靠性测试等进行测试。
但是SiC MOSFET的失效模式与Si基功率器件有所不同,所以SiC MOSFET的动态可靠性测试目前正成为行业内必备的出厂测试内容。
为什么SiC MOSFET需要动态可靠性测试?
SiC MOSFET不同于Si基器件的方面主要在以下几个方面:
1、存在明显的动态界面态陷阱:SiC/SiO2界面过于“粗糙”,易在高频开关下产生显著的电荷捕获与释放,从而导致阈值电压漂移,甚至栅氧可发生直接击穿,而这种失效方式则是无法通过静态直流HTGB或HTRB直接监测出。
2、高频应用下的热应力耐受问题:SiC器件在高频工况下,功率芯片的自身发热密度能达到传统Si基器件的数倍以上,如果没有结合特定的封装热阻及散热结构设计,这其中微小的差异就能导致SiC器件结温失控烧毁;
3、湿/热环境与动态开关的综合作用:在高湿度环境,如H3TRB或HV-H3TRB实验中,一些动态开关与环境条件综合作用下的电极或键合腐蚀退化情况无法监测;
4、SiC MOSFET中的体二极管双极退化:SiC MOSFET中的体二极管在导通时,因基底位错(Basal Plane dislocation,BPD)诱发的载流子注入和晶格损伤问题,这会导致器件的Ron漂移和热失控问题,而这种问题在动态开关和高温高频工况中失效的概率大幅上升。
动态高温栅极偏置实验,DHTGB
根据HTGB演化而来的动态高温栅极偏置实验(Dynamic High Temperature Gate Bias,DHTGB),在一定的栅压变化率下,对器件栅极施加的脉冲正负栅压,以加速器件的老化过程,从而评估器件的可靠性与寿命。
测试目的:加速模拟栅极在动态开关中的电应力下,验证器件阈值电压稳定性。
测试电路:

测试条件:
①温度T:器件最高工作结温/室温;
②电压设置:VGS=±VGS(设定);VDS=0V
③开关频率f:f=50kHz;
④栅压偏置循环次数:≥1e11;
⑤栅压变化率:dVGS/dt≥1 V/ns;
⑥阈值电压监测周期:10min一次;
可能造成的潜在影响:
1、阈值电压漂移:
当SiC MOSFET的栅极中被长时间施加正压时,会因为陷阱捕捉电子而使得阈值电压增大;反之,栅极被长时间施加负压时,阈值则会因为空穴捕捉而下降。
值得注意的是,在SiC MOSFET中阈值电压的负漂移更为显著,在交流的栅极偏置中就可以监测到中阈值电压漂移的现象。
正常的SiC器件在交流正负栅压下,会反复的对陷阱进行充电放电,阈值电压的漂移大多都能恢复,这个实验也就是监测在动态应用中阈值无法自行恢复的异常情况。
2、IGSS增大:
器件在长时间的栅极偏压下,栅氧缺陷积累,如正离子迁移到界面侧降低界面势垒;栅氧电场使得栅氧中发生碰撞电离与空穴捕捉呈正反馈;栅氧电子注入等;这些过程表现出来的就是IGSS增大的结果;
对于更严苛的使用环境而言,可以在动态可靠性试验过程中进行全静态参数的监控。
动态高温反偏实验DHTRB
SiC MOS的的动态高温反偏实验(Dynamic High Temperature Reverse Bias,DHTRB)是在器件关断状态下,施加0.8VDSmax甚至更高的脉冲电压,来加速器件的老化过程。这个测试可以模拟器件在实际应用中潜在的极端条件,从而评估器件的可靠性和寿命。
测试目的:评估高dV/dt动态条件下对SiC MOSFET芯片内部结构因快速充放电而造成的失效。
测试电路:DHTRB分为被动模式和主动模式,被动模式由外部电路控制漏压,主动模式则是由DUT栅极控制漏压


测试条件:
①温度T:25℃;
②试验时间t:≥100h;
③电压VDS:VDS=0.8VDSmax;
被动模式下:VGS保持恒定,VGS=VGS.min
主动模式下:VGS需要开关切换,即VGS.off=VGS.min,VGS,on=VGSmax
④偏压变化率dVDS/dt:dVDS/dt≥50V/ns;
⑤开关频率f:f≥25kHz
(规定实验过程中VDS过程不应超过0.15%VDSmax,允许钳位;若栅极开关切换条件下的实验还需要监控动态栅应力的影响,实时监控IDSS以及壳温的变化)
DHTRB可能造成的影响:
1、SiC MOSFET中的SiC/SiO2界面处的缺陷会在高电压下数目增多而形成界面态,从而导致器件阈值电压和导通电阻增加;
2、SiC衬底中的陷阱也会在高压下被激活继而捕获或释放载流子,以及器件在长时间高压下终端和钝化层等的缺陷,影响器件开关和可靠性;
从结果上看,至少需要监控器件的IDSS、VFSD、Vth、Ron等参数,对于严苛的应用环境,可以在DHTRB中监控全静态参数。
动态高温高湿反偏实验DH3TRB
此项实验仍在双85条件下,目前将VDS降低至VDS≥0.5VDSmax,动态条件较DTRB有所降低,dVDS/dt>30V/ns,开关频率f在15kHz~25kHz。仍分为被动模式和主动模式。
测试目的:验证器件在湿热环境下的可靠性,重点监测VDS快速开通和关断偏置。
测试电路同DHTRB。
测试条件:
①时间t≥1000h;
②温度T:85℃;
③湿度RH:85%;
④电压VDS:VDS≥0.5VDSmax;
⑤电压变化率dVDS/dt:≥30V/ns;
⑥开关频率f:15kHz≤f≤kHz;
⑦VGS同DHTRB;
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