SiC功率器件已經(jīng)成為高效率、高電壓及高頻率的功率轉換應用中Si功率器件的可行替代品。正如預期的優(yōu)越材料特性，SiC功率器件已經(jīng)實(shí)現了高性能的系統應用，并取得了最高的效率標準且沒(méi)有任何向可靠性的妥協(xié)。Wolfspeed（Cree, Inc.旗下公司）的SiC二極管已經(jīng)在眾多領(lǐng)域應用超過(guò)10年，器件在主要行業(yè)（戶(hù)內）應用中積累運行超過(guò)2兆小時(shí)，其中平均每10億小時(shí)內發(fā)生不到1次故障。近年來(lái)，可再生能源和交通運輸等戶(hù)外應用已經(jīng)體現出對SiC功率器件的需求，以實(shí)現系統體積、重量、效率和成本等方面的優(yōu)化目標。SiC功率器件已經(jīng)實(shí)現了性?xún)r(jià)比預期，但是戶(hù)外現場(chǎng)應用對其提出了所有半導體器件都存在的高濕度條件下運行的挑戰。
濕度問(wèn)題
在偏壓下承受潮濕的影響是所有電子產(chǎn)品長(cháng)期面臨的問(wèn)題。如傳統Si功率器件等半導體，在其裸露的芯片表面引入更高電壓會(huì )增加復雜性，同時(shí)材料和有源區對濕度增加引起的退化非常敏感，最終的失效模式是伴隨電化學(xué)遷移、擴展腐蝕和流動(dòng)離子等典型失效機制引起的高電壓阻斷能力喪失[ 1 ]。因為大數量級電場(chǎng)的催化效應，這些Si功率器件所面臨的挑戰隨著(zhù)SiC的應用而加劇，進(jìn)一步刺激了上述失效機理的出現（圖1）。Wolfspeed的工程師們投入了大量的時(shí)間和資源來(lái)研究這些以往出現過(guò)的半導體失效機理，以開(kāi)發(fā)支持全新W系列功率模塊產(chǎn)品的工藝和設計方案。
圖1. 更高電壓加載后的裸芯片表面
全新認證測試標準
JEDEC標準針對工業(yè)模塊的認證測試一直是采用高濕、高溫反向偏壓測試（H3TRB），也就是溫濕度偏壓測試（THB），該測試在相對濕度85 %和環(huán)境溫度85 ℃的環(huán)境試驗箱內進(jìn)行。
測試樣品被放置在試驗箱內以100 V偏壓進(jìn)行1000小時(shí)的實(shí)驗，要求所有測試樣品的參數保持在規格書(shū)范圍以?xún)?，且參數漂移最?。妷簻y試規格的20%，漏電流測試規格的1000%）才算通過(guò)測試[2]。由于戶(hù)外應用中器件所承受的電壓遠高于100 V，H3TRB測試被認為對戶(hù)外應用是無(wú)效的。
研究人員針對Si功率器件設計了全新的濕度測試，即高壓高濕、高溫反向偏壓測試（HV-H3TRB），該測試將偏置電壓增加至80%額定阻斷電壓的最大使用條件，因此也被稱(chēng)為T(mén)HB-80測試。例如，1200 V的器件以前僅在100 V下進(jìn)行測試，而在HV-H3TRB測試中將以960 V進(jìn)行測試。Si功率器件已經(jīng)成功在高濕度條件下現場(chǎng)運行，并通過(guò)了1000小時(shí)HV-H3TRB認證測試，最終在2000小時(shí)以上才出現失效。如圖2所示，Wolfspeed 62mm封裝的1200V/300A半橋功率模塊WAS300M12BM2，是第一款符合這一全新可靠性標準的全SiC功率模塊。
圖2. 第一款符合全新可靠性標準的全SiC功率模塊
針對惡劣環(huán)境應用的全SiC功率模塊
WAS300M12BM2由Wolfspeed的全新MOSFET（CPM2-1200-0025A）和第5代肖特基二極管構成，可在芯片級別滿(mǎn)足惡劣環(huán)境標準。在裸芯片的認證過(guò)程中，來(lái)自3個(gè)不同裝配批次（共75個(gè)MOSFET和75個(gè)肖特基二極管）隨機抽取的25組測試樣品順利通過(guò)了HV-H3TRB測試，具有一定統計顯著(zhù)性和連續運行重現性。針對惡劣環(huán)境應用的WAS300M12BM2與現有工業(yè)級模塊CAS300M12BM2的電氣性能相同，具有低至4.2 m?的通態(tài)電阻及開(kāi)關(guān)損耗不到相同規格的最新IGBT模塊的20%。這款模塊的構造采用了高導熱的氮化鋁基板和優(yōu)化后的裝配工藝，以滿(mǎn)足工業(yè)應用對熱循環(huán)和功率循環(huán)的要求。
隨機抽取6個(gè)WAS300M12BM2進(jìn)行HV-H3TRB測試，在每500小時(shí)的試驗迭代結束時(shí)，所有測試樣品從試驗箱取出并測試其電氣穩定性和數據合規性。在500小時(shí)和1000小時(shí)試驗后分別破壞了1個(gè)模塊，以進(jìn)行視覺(jué)測試來(lái)確認是否出現任何可能導致模塊早期失效的潛在缺陷。
除了為確認HV-H3TRB的測試條件的正常監測外，每個(gè)測試樣品還分別監測了各自的漏電流（IDSS），IDSS波形不穩定被認為是失效的前兆特征。如圖3所示，在整個(gè)1000小時(shí)的認證測試中，所有測試樣品都具有穩定的IDSS波形，通過(guò)電氣測試確認了模塊電壓漂移＜5%及漏電流漂移＜50%，均在JEDEC標準允許的范圍之內。
圖3. 監測模塊漏電流
分別在500小時(shí)和1000小時(shí)失效的2個(gè)模塊的原始芯片表面視覺(jué)測試結果如圖4所示，這個(gè)結果可與無(wú)應力部分的相比擬。高倍顯微鏡測試結果證實(shí)沒(méi)有出現氧化和電化學(xué)遷移等失效跡象。剩下的4個(gè)未開(kāi)封模塊繼續進(jìn)行HV-H3TRB測試，經(jīng)過(guò)2000小時(shí)以上的測試仍未失效。
圖4. 分別在500小時(shí)和1000小時(shí)測試后失效模塊的原始芯片表面視覺(jué)測試結果
結論
Wolfspeed全新的WAS300M12BM2功率模塊在高濕度條件下表現出優(yōu)異的性能，這是第一款通過(guò)HV-H3TRB測試驗證具有長(cháng)期使用壽命的，且在后應力物理分析中沒(méi)有發(fā)現任何潛在缺陷的，并針對惡劣環(huán)境應用的全SiC功率器件，這些結果都為Wolfspeed W系列SiC功率模塊在可再生能源和交通運輸等戶(hù)外功率轉換應用中的使用打開(kāi)了大門(mén)。
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