今天这篇文章来自不莱梅大学，主要内容是对比Si IGBT模块、SiC MOSFET模块的H³TRB可靠性
背景介绍
电化学应力下的稳定性是评估功率器件可靠性的关键指标，尤其在风力发电、轨道交通等恶劣应用场景
高温高湿反偏测试（H3TRB）是评估器件在这种环境下可靠性的经典方式，具体测试过程如下：
将器件置于高温高湿的箱内，施加反向电压，IEC 60749-5等标准规定了测试条件，相对湿度85%、环境温度85℃，反向偏压一般选取器件额定电压的60%~80%，
本文选取相同封装、性能相当的Si IGBT模块与SiC MOSFET模块进行H³TRB测试，对比两种器件在抗电化学应力方面的差异。
测试器件（DUT）额定电压1200V，额定电流25A，
Si IGBT与SiC MOSFET采用相同的封装形式，无基板模块，通过焊接固定芯片，配备DCB基板，填充材料为硅凝胶，
DUT包括5个Si IGBT模块、16个SiC MOSFET模块，
部分SiC MOSFET模块在进行H³TRB测试前已承受一定的热机械应力，但失效统计数据表明，该预处理对H³TRB寿命无明显影响，因此将所有SiC模块归为一类。
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两种芯片外观如上，在相同耐压级别、相同额定电流条件下，SiC MOSFET芯片的尺寸明显更小，约为Si IGBT芯片的50%，
从中可以直观感受到SiC MOSFET在电流密度上的优势（更小的芯片面积，承载相同的电流密度）。
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实验前，先测试两种模块的阻断特性，如上，
相比Si IGBT，SiC MOSFET的漏电大约低1个数量级，这源自SiC材料本征载流子浓度更低的特性。
接下来，对两种模块进行H³TRB测试，条件完全一致：相对湿度85%、环境温度85℃、测试电压960V，
测试过程中，实时监测器件漏电流，失效判据为漏电流增大一个数量级，
每累计500小时，在室温下对模块进行阻断特性中间测试，
测试前需将DUT置于相对湿度10%、环境温度50℃的条件下干燥24小时，
测试完成后，重新施加测试所需的温湿度环境，并稳定24小时，随后恢复施加测试电压以继续测试。
这段对实验具体条件、过程测试之类的描述非常细节，详细记在这里供各位参考。
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如上，H³TRB实验过程中，SiC MOSFET模块历次阻断特性中间测试，漏电流随累计实验时间的变化特性，
不同曲线代表不同模块，
可以看到，随着H³TRB应力累计时间的增加，模块漏电流整体呈轻微上升趋势，
多数DUT的漏电流较稳定，只有一个模块（黄色实线）比较特殊，漏电流整体偏高且波动很大。
长达1万小时的测试中，16个SiC MOSFET模块，有11个失效。
室温阻断特性测试结果显示，失效模块的特性存在差异。
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如上，3只失效SiC MOSFET模块在初始状态与寿命终止后的阻断曲线，
IM是中间测试，EOL是寿命终止测试，
3只模块在寿命终止时均出现漏电流增大，但具体情况有所不同，
部分失效模块几乎完全丧失阻断能力（蓝色曲线），部分模块阻断能力显著下降（橙色曲线），
部分模块虽已判定失效，但在室温下仍保持完整的阻断能力，仅漏电流显著增大（黄色曲线）。
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另一有趣现象是，随着H³TRB应力累计时间的增加，SiC MOSFET模块在中间测试后，重启H³TRB应力时，漏电流表现有所差异，如上，
一开始（Initial），重启H³TRB实验，漏电流基本不变，
5200 h后，重启H³TRB实验，漏电流迅速增至10μA左右，随后逐渐下降，稳定在7μA左右，
7800h后，重启H³TRB实验，漏电流迅速增至40μA左右，随后逐渐下降，稳定在15μA左右，
换言之，H³TRB应力施加时间越长，器件内部局部退化越严重，重启后漏电流迅速增大，但这种退化具有自限性（self-limiting），因此漏电后来又降至较低水平。
这里要解释一下，啥叫自限性？
我的理解如下：
H³TRB应力施加时间越长，器件局部退化越严重，
具体来说，就是某区域（如芯片边缘、钝化层缺陷处）发生材料或结构的变化，使其绝缘能力退化，形成漏电流路径，于是重启后漏电流迅速增大，
然而漏电流骤增会使局部区域发热，发热又会带来其他后果，
比如局部温度升高，水分蒸发或材料氧化，阻断漏电流路径，比如热膨胀或材料结构变化，使电流路径暂时中断，
总之，发热导致的这些后果，使得漏电流在迅速增大后，逐渐降低。
概言之，漏电流骤增→局部区域发热→发热触发某种或多种阻断or削弱漏电路径的机制→漏电流逐渐下降，
这是一个负反馈过程，
与此前这篇文章提到的BJT器件正反馈过程、MOSFET器件负反馈过程，相互映证，颇为有趣。
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对部分失效器件进行开帽处理，观察表面形貌，如上，
左图器件出现了枝晶生长现象，两根枝晶从芯片表面未受保护的金属区域，延伸至芯片边缘，
能谱分析表明，枝晶的成分是银，即聚酰亚胺表面的银。
银枝晶是典型退化机制，也是Si基功率器件常见失效原因。
右图器件则是芯片边缘附近的聚酰亚胺层损伤（图中芯片拐角终端附近的白色区域）。
测试结果显示，银枝晶芯片在寿命终止后完全丧失阻断能力，而聚酰亚胺层损伤芯片仍保持阻断能力，但漏电流增大。
这表明失效模式与退化现象之间可能存在相关性，但目前数据尚不充分，需进一步研究才能得出最终结论。
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对比SiC MOSFET与Si IGBT的失效时间，采用威布尔（Weibull）统计方法对测试结果进行分析，如上，
Si IGBT的形状因子（the Weibull shape factor）明显更高，表明其失效分布范围更窄
这可能源于Si基器件制造工艺更成熟，生产波动更小，因此器件特性一致性更佳。
这里解释一下，Weibull shape factor到底啥意思？
一般用β表示，
β＜1，表示“早期故障期”，故障率随时间下降，通常由制造缺陷、工艺问题引起，
β=1，表示“随机故障期”，故障率恒定，此时Weibull分布退化为指数分布，故障由外部随机冲击或过应力引起，
β＞1，表示“耗损故障期”，故障率随时间增加，通常由磨损、老化、疲劳等内在退化机制引起。
β越大，意味着故障时间越集中，分布越窄，产品一致性越好，但也意味着一旦开始耗损，故障加速的趋势更明显。
从图中看，Si IGBT的β=17.8，远大于1，说明属于典型的“耗损故障”，且故障时间非常集中，
即，Si器件工艺更加成熟，制造出的器件性能高度一致，几乎所有器件都在一个相对狭窄的时间窗口内发生故障。
而SiC MOSFET的β=2.6，远小于前者，表明故障时间的分散性更大（曲线更平缓），
即，SiC器件工艺成熟度更低，器件初始特性差异较大，因此在相同应力下，各器件的退化速度不一致，失效时间分布得更广。
再看威布尔尺度因子（the Weibull scale factor，对应63.2%测试样本失效时的时间），
SiC MOSFET的尺度因子约为Si IGBT的4倍，
同样解释一下，
Weibull scale factor，常用η表示，当累积故障率达到63.2%时，对应的时间即为尺度参数η，因此也被称为“特征寿命”。
η越大，代表产品的总体寿命越长，耐用性越好，抵抗应力的能力越强。
因此SiC MOSFET的尺度因子是Si IGBT的4倍，表明SiC器件的抗电化学应力可靠性更优。
对比测试中，所有Si IGBT模块寿命均未超过2500小时，所有SiC模块均承受了超过3000小时的累计H³TRB应力。
小结：
1、选取相同封装、性能相当的Si IGBT模块与SiC MOSFET模块进行H³TRB测试，对比两种器件在抗电化学应力方面的差异。
2、对SiC MOSFET模块，H³TRB应力施加时间越长，器件内部局部退化越严重，重启后漏电流迅速增大，但这种退化具有自限性，因此漏电后又降至较低水平。
3、Si IGBT的形状因子达17.6，表明其失效分布范围更窄，这源于Si基器件制造工艺更成熟，生产波动更小，因此器件一致性更佳。
而SiC MOSFET的形状因子只有2.6，远小于前者，表明故障时间的分散性更大，
原因是SiC器件工艺成熟度更低，器件初始特性差异较大，相同应力下，不同器件的退化速度不一致，失效时间分布范围更广。
SiC MOSFET的尺度因子是Si IGBT的4倍，表明SiC器件抗电化学应力可靠性更优。
4、所有Si IGBT模块寿命均未超过2500小时，所有SiC模块均承受了超过3000小时的累计H³TRB应力。
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