從Wolfspeed角度看SiC功率器件可靠性

來源：芯TIP

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

報告作者：DONALD A. GAJEWSKI

（DIRECTOR, RELIABILITY ENGINEERING & FAILURE ANALYSIS）

報告內容包含：（具體內容詳見下方全部報告內容）

• MOSFET的顯著特征和器件級故障機制

• 可靠性 101

  隨時間變化的故障率：浴盆曲線

• 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）

• 濕度相關的可靠性

• 封裝可靠性

  功率循環

• 現場可靠性

• 行業聯盟指南和標準

• 總結

報告詳細內容

# SiC MOSFET的顯著特征

# 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

隨時間變化的故障率：浴盆曲線

# 閾值電壓穩定性

# 閾值電壓穩定性（PBTI 或 NBTI）

隨時間變化的閾值電壓偏移 (ΔVT) 可以改變導通狀態和/或阻斷特性

這可能發生在 Si 或 SiC MOSFET 中

ΔVT與界面和氧化物陷阱有關 （填充/排空/創建）

Si MOSFET 的 ΔVT取決于 MOS 柵極電場、溫度和時間

SiC MOSFET 比 Si MOSFET 具有更多陷阱 ；VT穩定性更值得關注

# 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

# BDOL 測試顯示在第三象限運行中完全穩定

61 個 3.3 kV 和 65 個 10 kV MOSFET 在 1000 小時內實現零故障

# BDOL：在應力檢測后得到的任何設備參數中均未發生變化

未顯示：

? MOSFET 閾值電壓沒有變化

? 在室溫下，后測 VSD（體二極管電壓）沒有變化

# 雙極穩定性 – 可靠性影響

? 關于體二極管的重要說明：

– 如果 MOSFET 開始時沒有任何 BPD，則堆垛層錯不會成核和生長，也不會發生雙極退化

– 因此，減少BPD的發生和篩查出BPD對于第三象限的可靠性非常重要！

? 可靠性影響：

- 相關文獻基本表明，兩極不穩定不能加速

– 沒有已知的加速因素

– 沒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生在 <~100 小時 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：

? 測試大樣本量

? 測試大型設備

? 測試更高電壓的設備

? 在生產中對 BPD 進行積極和最先進的篩選

# 柵極氧化層可靠性

# 介質層時變擊穿法（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系，用于構建由 Joe McPherson（德州儀器可靠性研究員）發布的預測壽命模型：熱化學模型 - 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，在氧化物電場最高的 JFET 間隙中

? 故障分析未發現以下證據：

– 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

# 濕度相關的可靠性

# 濕度相關的可靠性

? 與濕度有關的可靠性是所有行業標準準則中的一個標準鑒定測試

? Wolfspeed E 系列器件已通過 85C/85%RH 壽命測試，沒有腐蝕跡象：

– 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 的濕度相關可靠性非常好

– 劣質的鈍化膜、缺陷和污染可能導致問題出現

# 封裝可靠性

# 封裝可靠性：功率循環

? 功率循環測試引線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”

? 功率循環是芯片金屬化和引線鍵合的特性

? 并非 SiC 獨有：類似于 Si IGBT 和模塊中發生的情況

# 功率循環

# 針對示例操作條件的功率循環壽命預測

# 宇宙射線 / 中子 / SEB

# 地面中子

? 故障率隨時間變化 (FIT)：每十億設備小時故障）

? 故障是突然的，故障前幾乎沒有退化跡象

? 在中子束設施中根據經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率與活動面積和漂移場（相對于雪崩）的比例相似

- 有源區和漂移設計可進行定制，以滿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

# 地面中子實際失效機制

? 僅觀察到與漂移有關的故障
? 無柵極氧化擊穿

? 無寄生 NPN 導通

# 地面中子：SiC VS Si

? Si IGBT 表現出更劇烈的故障發生，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 過沖的影響

# 柵極電壓對中子擬合率沒有影響

# 產品認證

# 典型產品

# 典型的 THB-80 評估

# 評估任務概況的方法

# 任務概況和可靠性預測

# 現場可靠性

# WOLFSPEED 功率場可靠性（截至 2021 年 4 月）

# 行業聯盟指南和標準

# 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，測試方法已開發，但仍需開展更多工作

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

? 正在積極制定行業范圍內的可靠性指南和標準

# 作者個人簡介：

參考來源：DONALD A. GAJEWSKI

DIRECTOR, RELIABILITY ENGINEERING & FAILURE ANALYSIS

部分編譯：芯TIP@吳晰