AOS開(kāi)發(fā)了一種可擴(kuò)展的測(cè)試系統(tǒng)，用于在極端dV/dt條件下評(píng)估碳化硅（SiC）MOSFET在連續(xù)工作模式下的穩(wěn)定性。半橋式測(cè)試系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行測(cè)試，且功耗較低，易于擴(kuò)展，從而快速生成所需器件特征化的統(tǒng)計(jì)信息，確保結(jié)論的準(zhǔn)確性。在較高的溫度下，對(duì)幾種不同的1200V SiC MOSFET進(jìn)行了評(píng)估，測(cè)試其在體二極管反向恢復(fù)和硬開(kāi)關(guān)應(yīng)力作用下（10V/ns和150V/ns），超過(guò)1500小時(shí)后潛在的性能退化情況，參數(shù)偏移不超過(guò)4%。
近年來(lái)，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)見(jiàn)證了碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）在汽車(chē)、太陽(yáng)能逆變器以及廣泛工業(yè)電源應(yīng)用中的加速采用。推動(dòng)SiC MOSFET迅速普及的主要因素之一是其單極物理特性，這使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，進(jìn)而顯著提升系統(tǒng)效率。為了追求更高的系統(tǒng)性能，提高SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率與速度往往成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段評(píng)估的關(guān)鍵折衷參數(shù)。
然而，對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)者而言，理解技術(shù)與工藝設(shè)計(jì)對(duì)器件復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的可靠性影響是難以預(yù)測(cè)的。由JEDEC或AEC-Q101等機(jī)構(gòu)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)資格認(rèn)證和可靠性測(cè)試，如高溫度反偏測(cè)試（HTRB）和高溫度門(mén)極偏置測(cè)試（HTGB），僅施加于器件的穩(wěn)態(tài)操作，并被用來(lái)加速響應(yīng)特定物理機(jī)制或器件區(qū)域。在典型的使用條件下，器件會(huì)經(jīng)歷間歇性和動(dòng)態(tài)應(yīng)力，包括大電流、高溫、快速瞬變，這些瞬態(tài)應(yīng)力同時(shí)出現(xiàn)在柵極和漏極節(jié)點(diǎn)上，可能導(dǎo)致新的退化機(jī)制或失效模式。
對(duì)于SiC MOSFET，多年來(lái)關(guān)于柵氧質(zhì)量的問(wèn)題已被反復(fù)報(bào)道。與硅MOSFET相比，固有的SiC/SiO2界面存在更多的陷阱，這可能會(huì)導(dǎo)致閾值電壓漂移、遲滯現(xiàn)象，甚至在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下出現(xiàn)故障。在快速重復(fù)的動(dòng)態(tài)操作中，研究已顯示出更為復(fù)雜的退化現(xiàn)象，包括氧化物界面和內(nèi)部體二極管。
正如前文所述，電路設(shè)計(jì)人員正在推動(dòng)電力電子設(shè)備向更高頻率發(fā)展以增加效率。這通常會(huì)導(dǎo)致更高的Vds dV/dt（漏源電壓變化率）。早期的SiC二極管在極端dV/dt條件下展現(xiàn)出失效模式，但對(duì)于SiC MOSFET在重復(fù)dV/dt條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，鮮有研究結(jié)果。為了確保在廣泛的dV/dt條件下實(shí)現(xiàn)可靠性，一個(gè)合適的可靠性測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下能力：能夠?qū)φ蚬ぷ髂Ｊ郊癕OSFET體二極管的反向恢復(fù)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，輕松調(diào)整dV/dt，維持恒定的結(jié)溫Tj，并具有可擴(kuò)展性，適用于大量樣本測(cè)試以生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)概述
根據(jù)G. Sheh在“大規(guī)模測(cè)試平臺(tái)：用于模擬真實(shí)工作電壓和電流應(yīng)力的SiC二極管和MOSFET在電路可靠性測(cè)試”一文中概述的方法，評(píng)估開(kāi)關(guān)可靠性可以通過(guò)兩種不同的途徑實(shí)現(xiàn)：應(yīng)用層面測(cè)試系統(tǒng)或測(cè)試載體電路。在本研究中，我們選擇了一種可擴(kuò)展的測(cè)試載體，該載體能夠?qū)μ蓟瑁⊿iC）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）在各種工作條件下進(jìn)行評(píng)估，包括溫度、電壓、電流、開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)頻率。圖1展示了AOS dv/dt應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)。一個(gè)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)包含驅(qū)動(dòng)模塊和控制若干子系統(tǒng)板同時(shí)運(yùn)行的組件。
圖1｜dv/dt應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)
為了降低測(cè)試系統(tǒng)的功耗，我們采用了帶有能量回收的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)使得從負(fù)載回收的能量得以循環(huán)利用，提高了效率。圖2展示了一個(gè)可擴(kuò)展測(cè)試裝置的圖片，該裝置能同時(shí)對(duì)多個(gè)器件施加10V/ns和150V/ns的不同應(yīng)力水平。由于電路相對(duì)簡(jiǎn)單，可以輕松調(diào)整電流，以模擬極端使用條件下的應(yīng)用案例，比如在柵極和源極之間出現(xiàn)極端負(fù)向開(kāi)關(guān)尖峰。
圖2｜系統(tǒng)在不同dV/dt下同時(shí)驗(yàn)證測(cè)試多個(gè)器件
圖3 展示了在開(kāi)關(guān)瞬變期間對(duì)柵極重復(fù)施加-15V應(yīng)力的測(cè)試，這顯示了我們能夠調(diào)節(jié)柵極應(yīng)力及dV/dt的能力。圖4則呈現(xiàn)了在150V/ns開(kāi)關(guān)應(yīng)力下，開(kāi)關(guān)波形的情況。
圖3｜待驗(yàn)證MOSFET的開(kāi)關(guān)波形
圖4｜在150V/ns開(kāi)關(guān)應(yīng)力下的開(kāi)關(guān)波形
為了減小子系統(tǒng)板的尺寸并簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所有的碳化硅（SiC）MOSFET都被安裝在一個(gè)高速風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的單個(gè)風(fēng)洞散熱器上。這套冷卻系統(tǒng)功能強(qiáng)大，允許SiC MOSFET在高頻率和大電流下工作。為了達(dá)到所需的結(jié)溫，我們通過(guò)使用具有不同熱阻的隔離片材料或厚度來(lái)調(diào)整從結(jié)(Junction)到散熱器的總熱阻。直接測(cè)量結(jié)溫非常困難，因此根據(jù)芯片中心上方塑料封裝殼體的溫度來(lái)估算結(jié)溫。圖5展示了通過(guò)紅外熱像儀進(jìn)行的熱測(cè)量。基于經(jīng)驗(yàn)，芯片中心上方塑料封裝殼體的溫度接近85℃，而結(jié)溫則接近100℃。
圖5｜使用紅外熱像儀對(duì)被測(cè)設(shè)備（DUT）進(jìn)行的熱測(cè)量
器件概述
圖6展示了本次研究中測(cè)試的平面型碳化硅（SiC）MOSFET的剖面圖。這些MOSFET具有標(biāo)稱(chēng)閾值電壓（VTH）為2.8V，典型的導(dǎo)通電阻（RDS,ON）范圍從15毫歐至65毫歐，電壓等級(jí)分別為750V和1200V。所有器件均屬于經(jīng)過(guò)AEC-Q101認(rèn)證工藝。
圖6 | 測(cè)試用SiC MOSFET的剖面圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖7和圖8則分別展示了在直流電壓（VDC）為800V，連續(xù)電流（ID）為40A，結(jié)溫（Tj）為100°C的條件下，對(duì)1200V/33毫歐SiC MOSFET進(jìn)行20kHz開(kāi)關(guān)操作超過(guò)1500小時(shí)后，閾值電壓（VTH）、導(dǎo)通電阻（RDS,ON）、漏源飽和電流（IDSS）以及體二極管正向電壓（VF）幾乎無(wú)明顯變化的結(jié)果。
圖7｜硬開(kāi)關(guān)MOSFET在10V/ns和150V/ns dV/dt條件下，長(zhǎng)達(dá)1768小時(shí)的閾值電壓（VTH）測(cè)量結(jié)果
圖8｜反向恢復(fù)MOSFET，在10V/ns和150V/ns dV/dt條件下，長(zhǎng)達(dá)1768小時(shí)的體二極管正向電壓測(cè)量結(jié)果
結(jié)語(yǔ)
AOS于2019年推出可大批量生產(chǎn)的第二代1200V車(chē)規(guī)級(jí)/工規(guī)級(jí)aSiC MOSFET, 產(chǎn)品的導(dǎo)通內(nèi)阻覆蓋了從20mohm到500mohm的范圍，涵蓋了市場(chǎng)上各類(lèi)相關(guān)應(yīng)用；隨后推出了750V/650V車(chē)規(guī)級(jí)/工規(guī)級(jí)aSiC MOSFET，導(dǎo)通內(nèi)阻覆蓋了15mohm到60mohm的范圍，更廣泛的涵蓋了各種高效率高功率密度的電源應(yīng)用，為客戶(hù)提供高性能和高可靠性的解決方案。
目前AOS第二代aSiC MOSFET分立器件全線(xiàn)產(chǎn)品均符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，能夠?yàn)榭蛻?hù)提供廣泛的靜態(tài)導(dǎo)通電阻以及多種封裝選擇。在產(chǎn)品規(guī)格上，提供了650V、750V、1200V和1700V耐壓等級(jí)，15mΩ-1000mΩ導(dǎo)通電阻范圍的產(chǎn)品，具有優(yōu)異的開(kāi)關(guān)損耗、雪崩能力、短路能力等特性。而以上測(cè)試數(shù)據(jù)也驗(yàn)證AOS可以為設(shè)計(jì)人員提供更先進(jìn)的下一代半導(dǎo)體技術(shù)，以提高效率達(dá)成能效目標(biāo)。
