作者：Wolfspeed電力產(chǎn)品市場(chǎng)與應(yīng)用高級(jí)總監(jiān)Guy Moxey
引言
SiC功率器件已經(jīng)成為高效率、高電壓及高頻率的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中Si功率器件的可行替代品。正如預(yù)期的優(yōu)越材料特性，SiC功率器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高性能的系統(tǒng)應(yīng)用，并取得了最高的效率標(biāo)準(zhǔn)且沒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(yīng)用超過10年，器件在主要行業(yè)（戶內(nèi)）應(yīng)用中積累運(yùn)行超過2兆小時(shí)，其中平均每10億小時(shí)內(nèi)發(fā)生不到1次故障。近年來，可再生能源和交通運(yùn)輸?shù)葢敉鈶?yīng)用已經(jīng)體現(xiàn)出對(duì)SiC功率器件的需求，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)體積、重量、效率和成本等方面的優(yōu)化目標(biāo)。SiC功率器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了性價(jià)比預(yù)期，但是戶外現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)其提出了所有半導(dǎo)體器件都存在的高濕度條件下運(yùn)行的挑戰(zhàn)。
濕度問題
在偏壓下承受潮濕的影響是所有電子產(chǎn)品長(zhǎng)期面臨的問題。如傳統(tǒng)Si功率器件等半導(dǎo)體，在其裸露的芯片表面引入更高電壓會(huì)增加復(fù)雜性，同時(shí)材料和有源區(qū)對(duì)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(kuò)展腐蝕和流動(dòng)離子等典型失效機(jī)制引起的高電壓阻斷能力喪失[ 1 ]。因?yàn)榇髷?shù)量級(jí)電場(chǎng)的催化效應(yīng)，這些Si功率器件所面臨的挑戰(zhàn)隨著SiC的應(yīng)用而加劇，進(jìn)一步刺激了上述失效機(jī)理的出現(xiàn)（圖1）。Wolfspeed的工程師們投入了大量的時(shí)間和資源來研究這些以往出現(xiàn)過的半導(dǎo)體失效機(jī)理，以開發(fā)支持全新W系列功率模塊產(chǎn)品的工藝和設(shè)計(jì)方案。
圖1. 更高電壓加載后的裸芯片表面
全新認(rèn)證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
JEDEC標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)工業(yè)模塊的認(rèn)證測(cè)試一直是采用高濕、高溫反向偏壓測(cè)試（H3TRB），也就是溫濕度偏壓測(cè)試（THB），該測(cè)試在相對(duì)濕度85 %和環(huán)境溫度85 ℃的環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行。
測(cè)試樣品被放置在試驗(yàn)箱內(nèi)以100 V偏壓進(jìn)行1000小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，要求所有測(cè)試樣品的參數(shù)保持在規(guī)格書范圍以內(nèi)，且參數(shù)漂移最小（電壓測(cè)試規(guī)格的20%，漏電流測(cè)試規(guī)格的1000%）才算通過測(cè)試[2]。由于戶外應(yīng)用中器件所承受的電壓遠(yuǎn)高于100 V，H3TRB測(cè)試被認(rèn)為對(duì)戶外應(yīng)用是無效的。
研究人員針對(duì)Si功率器件設(shè)計(jì)了全新的濕度測(cè)試，即高壓高濕、高溫反向偏壓測(cè)試（HV-H3TRB），該測(cè)試將偏置電壓增加至80%額定阻斷電壓的最大使用條件，因此也被稱為THB-80測(cè)試。例如，1200 V的器件以前僅在100 V下進(jìn)行測(cè)試，而在HV-H3TRB測(cè)試中將以960 V進(jìn)行測(cè)試。Si功率器件已經(jīng)成功在高濕度條件下現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，并通過了1000小時(shí)HV-H3TRB認(rèn)證測(cè)試，最終在2000小時(shí)以上才出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)的全SiC功率模塊。
圖2. 第一款符合全新可靠性標(biāo)準(zhǔn)的全SiC功率模塊
針對(duì)惡劣環(huán)境應(yīng)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(gòu)成，可在芯片級(jí)別滿足惡劣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。在裸芯片的認(rèn)證過程中，來自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(jī)抽取的25組測(cè)試樣品順利通過了HV-H3TRB測(cè)試，具有一定統(tǒng)計(jì)顯著性和連續(xù)運(yùn)行重現(xiàn)性。針對(duì)惡劣環(huán)境應(yīng)用的WAS300M12BM2與現(xiàn)有工業(yè)級(jí)模塊CAS300M12BM2的電氣性能相同，具有低至4.2 m?的通態(tài)電阻及開關(guān)損耗不到相同規(guī)格的最新IGBT模塊的20%。這款模塊的構(gòu)造采用了高導(dǎo)熱的氮化鋁基板和優(yōu)化后的裝配工藝，以滿足工業(yè)應(yīng)用對(duì)熱循環(huán)和功率循環(huán)的要求。
隨機(jī)抽取6個(gè)WAS300M12BM2進(jìn)行HV-H3TRB測(cè)試，在每500小時(shí)的試驗(yàn)迭代結(jié)束時(shí)，所有測(cè)試樣品從試驗(yàn)箱取出并測(cè)試其電氣穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)合規(guī)性。在500小時(shí)和1000小時(shí)試驗(yàn)后分別破壞了1個(gè)模塊，以進(jìn)行視覺測(cè)試來確認(rèn)是否出現(xiàn)任何可能導(dǎo)致模塊早期失效的潛在缺陷。
除了為確認(rèn)HV-H3TRB的測(cè)試條件的正常監(jiān)測(cè)外，每個(gè)測(cè)試樣品還分別監(jiān)測(cè)了各自的漏電流（IDSS），IDSS波形不穩(wěn)定被認(rèn)為是失效的前兆特征。如圖3所示，在整個(gè)1000小時(shí)的認(rèn)證測(cè)試中，所有測(cè)試樣品都具有穩(wěn)定的IDSS波形，通過電氣測(cè)試確認(rèn)了模塊電壓漂移＜5%及漏電流漂移＜50%，均在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍之內(nèi)。
圖3. 監(jiān)測(cè)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測(cè)試結(jié)果如圖4所示，這個(gè)結(jié)果可與無應(yīng)力部分的相比擬。高倍顯微鏡測(cè)試結(jié)果證實(shí)沒有出現(xiàn)氧化和電化學(xué)遷移等失效跡象。剩下的4個(gè)未開封模塊繼續(xù)進(jìn)行HV-H3TRB測(cè)試，經(jīng)過2000小時(shí)以上的測(cè)試仍未失效。
圖4. 分別在500小時(shí)和1000小時(shí)測(cè)試后失效模塊的原始芯片表面視覺測(cè)試結(jié)果
結(jié)論
Wolfspeed全新的WAS300M12BM2功率模塊在高濕度條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這是第一款通過HV-H3TRB測(cè)試驗(yàn)證具有長(zhǎng)期使用壽命的，且在后應(yīng)力物理分析中沒有發(fā)現(xiàn)任何潛在缺陷的，并針對(duì)惡劣環(huán)境應(yīng)用的全SiC功率器件，這些結(jié)果都為Wolfspeed W系列SiC功率模塊在可再生能源和交通運(yùn)輸?shù)葢敉夤β兽D(zhuǎn)換應(yīng)用中的使用打開了大門。
參考文獻(xiàn)
[1] C. Zorn，M. Piton，N. Kaminski，“Impact of Humidity on Railway Converters，” Proceedings of PCIM 2017，pp. 715-722.
[2] Information located at website：http://www.jedec.org; www.wolfspeed.com
