寬禁帶半導體（SiC）動態可靠性測試的挑戰_NI.pdf

1、寬寬禁帶帶半導導體（SiC）動動態態可靠性測試測試的挑戰戰NI 大客戶經理 楊堃議程功率半導體的趨勢SiC可靠性動態柵極應力測試動態高溫高濕反偏測試NI動態可靠性測試方案功率半導體的趨勢功率半導體和綠色能源交通出行，電梯，空調離不開功率半導體使用清潔能源，同時減少能源損耗電動汽車產業重新定義了功率半導體行業尋求更高的能源使用效率在過去的40年里，硅基晶體管和IGBT得到廣泛的應用今天的應用，如熱泵、光伏、電動汽車，甚至電動飛行器，智能電網，都需要用到這些硅基器件 更高的電壓 更高的電流 更好的熱性能 更少的能量損失 更加快的切換速度 更小的尺寸和重量更高的效率更高的效率早在上世界70年代，已經

2、開始將碳化硅作為新的寬禁帶材料進行研究。待80年代開始在實驗室條件下實行了應用從研究到市場，整整用了20多年 2001年業界第一款商業可用的碳化硅肖特基二極管問世使用寬禁帶材料硅基半導體 Vs 寬禁帶半導體未來寬禁帶器件將會得到更廣泛的應用目前在高性能應用上，已經看到非常多從硅到寬禁帶的轉變電動汽車行業是寬禁帶功率半導體的主要驅動力，包括碳化硅和氮化鎵Onsemi碳化硅可靠性可靠性測試 硅 Vs 碳化硅經過數十年來對硅材料的研究和現場應用經驗，對其失效模型和發生概率的理解已經相當成熟基于對硅的深入認知，其可靠性測試可以進行優化：使用更高的加速因子進行測試使用更小的工程樣片進行測試特定測試項可以

3、跳過 對于碳化硅和氮化鎵這些都需要重新開始可靠性測試 硅 Vs 碳化硅對于碳化硅/氮化鎵，我們需要重新驗證和優化可靠性測試 不能簡單的套用硅的測試標準碳化硅/氮化鎵 更加深入的理解其失效模型 關于加速因子的相關數據 深入了解由寬禁帶特性引起的新效應電動汽車市場縮短上市時間十分關鍵；電動汽車目前使用的碳化硅器件依然十分年輕，不超過十年；挑戰：如何在短時間內測試完成對整個產品生命周期的挑戰：對于汽車來說是20年 對于綠色能源逆變器是30年 測試1000h Vs 生命周期20年我們需要加速，在1000h內考證待測器件20年生命周期的可靠性 加速因子 x175 倍類比對椅子的可靠性測試 不斷模擬人坐下

4、的機械動作 紫外線照射查看皮革編織物的褪色探索寬禁帶器件可靠性測試接下來我們主要探索兩種失效模型：模擬人們坐下椅子的動作=柵極開啟關斷 =動態柵極應力測試編織物的紫外光線照射 =在高濕環境下開啟關斷 =動態高溫高濕反偏測試動態柵極應力測試 模擬器件柵極不斷開啟關斷的過程 150 kHz to 500 kHz 0.1 to 1 V/ns dV/dt VGS,min/max DatasheetDUT動態柵極應力測試動態柵極應力測試 模擬器件柵極不斷開啟關斷的過程 測試閾值電壓VGS,th和 導通電阻RDS,on溫度控制溫度控制 100 ms Pre-Conditioning VGS,th 10 m

5、A VGS,th(up/down)動態柵極應力測試的意義 常規工況下就會發生的效應 不影響器件使用壽命，但是會降低器件性能 實際的測試結果表明靜態柵極應力測試無法 替代動態柵極應力測試+15%1/10th of car life靈活實時在線測量的能力 自由配置的測量時序 采樣間隔穩定可配置溫度因素對測試結果產生顯著的影響結果出現反轉現象被掩蓋沒有正常的預處理會引入顯著的誤差干擾1 V 噪聲 100 小時測試動態柵極應力測試需求溫度控制能力 主動控溫 記錄溫度數值避免電壓過沖VGS0 Vt特別是負過沖，會給測試結果帶來很大的影響動態柵極應力測試需求不同廠商碳化硅器件的動態柵極測試結果2 DUTs

6、VGS,th-=13.2 V3 DUTsVGS,th-9.5 V to 10 V閾值電壓和導通電阻相關性如預期一樣，VGS,th-和 RDS,on有直接聯系3.251011 周期周期(車的生命周期大概為5.761011 cycles)閾值電壓和導通電阻RDS,on 的漂移 和 VGS,th 漂移成指數關系動態柵極應力測試 長期漂移特性漂移會停止漂移會停止嗎嗎?測試開始時間:2021-12-17 結果報告時間:2023-03-09 溫度:25 C 應力頻率:400 kHz 周期數:7.71012 個周期/大約為13.4 個汽車的生命周期動態柵極應力測試 長期漂移漂移會停止漂移會停止嗎嗎?1 ca

7、r life10 carlives1/10 car life從斜率的上看，沒有看到任何可能會停止的跡象動態柵極應力測試小結建議的測試參數ParameterValueRemark測試時長5.761011 循環或參考使用具體工況測試溫度25 C 5 K,測試過程穩定 1 K 溫度變化敏感柵極電壓VGS,max;VGS,min無過沖柵極頻率150 kHz to 300 kHz,50%DC加速因子柵極瞬態0.1 1 V/ns無過沖測量值測量值測量周期測量周期備注備注VGS,th開始,結束(至少)每隔5分鐘(建議值)觀察遲滯現象的趨勢RDS,on開始,結束(至少)每隔5分鐘(建議值)-動態高溫高濕反偏測

8、試 測試待測物由于濕度和溫度的老化 需要施加高壓 典型參數:環境:85 C,85%相對濕度電壓:80%to 100%VDS,max時間:1000 h Quelle:靜態高溫高濕反偏測試 由于碳化硅（SiC）能夠承受更高的電壓開關能力，更快的切換速度，且尺寸更小，因此極端的場變化會對材料產生更大的應力 采用與硅相同的方式進行測試，則弱化了實際工況中產生的應力程度 這些快速的場變化會導致額外的腐蝕效應，并可能影響絕緣材料動態高溫高濕反偏測試動態高溫高濕反偏測試AQG 324中定義了動態高溫高濕反偏測試進行動態高溫高濕反偏測試配置 過沖:0.8 to 0.95 VDS,max (動態反偏測試&動態高

9、溫高濕反偏測試)VStress:0.8 VDS,max(動態反偏測試)/0.5 VDS,max(動態高溫高濕反偏測試)1stminima 0.5 VStressVDS0.8 VDS,maxPeak0.8 to 0.95 VDS,max1st minima 0.5 x VStress進行動態高溫高濕反偏測試配置測量 dV/dt 以第一個峰值為基準的最小值10%到最大值90%；示波器和探頭的帶寬不會導致信號的失真；90%10%進行動態高溫高濕反偏測試配置 待測器件處于關閉狀態，激勵信號由外部提供DUT passiveDUT active Climatic chamberClimatic chamb

10、er 待測器件組成半橋，處處在工作狀態總結 動態高溫高濕反偏/動態反偏測試建議的測試參數參數參數數數值值備注備注測試時間 1000 h測試環境Dyn.H3TRB:85 C/85%relative humitidyDRB:25C應力電壓動態高溫高濕反偏:VDS 0.5 VDS,max動態反偏:VDS 0.8 VDS,max過沖:0.8 to 0.95 VDS,max測量前需關注波形；使用10%90%來計算Gate voltageVGS,off:VGS,min.recomVGS,on:VGS,max避免過沖測量測量測量周期測量周期備注備注IDS,leak開始,結束(至少)每隔5分鐘(建議值)在擊穿

11、前停止測試，以便分析失效原因DUT passiveDUT active NI動態可靠性測試方案NI/SET 寬禁帶器件可靠性測試完整方案概覽:自動化測試，軟件可配置 輕松擴展和規?；?標準化的測試接口板，最小化定制適配工作:分立器件 半橋模塊 三相全橋模塊遵循遵循AQG324標準定義標準定義：AQG-324:QL-01,QL-02 AQG-324:QL-05,QL-06,QL-07 AQG-324:QL-06a AQG-324:QL-05a,QL-07a AEC-Q101:#10NIs Power Reliability Offering動態柵極應力測試 主要主要應用應用電力電子認證柵氧可靠性

12、測試遵循AQG 324 QL-06a規范 主要性能指主要性能指標標最高支持240通道軟件可定義柵極電壓 Vgs=30V max可在300KHZ頻率下提供高 dv/dt 激勵主動加熱冷卻溫度范圍 20C to 200CDGS/dyn HTGB動態高溫高濕反偏/動態反偏主要應用 電力電子認證遵循AQG324測試規范電動汽車/可再生能源主要特性主要特性:最高支持240通道支持DUT主動/被動模式激勵電壓高達1500V獨立通道保護漏電流測試動態高溫高濕反偏/動態反偏測試系統測試服務 測試設置和執行的工程支持 可根據具體應用提供定制化 提供相近測試報告 適配各類不同封裝支持的支持的測試標準測試標準:Power cycling:AQG-324:QL-01,QL-02 HTRB:AQG-324:QL-05,DRB:AQG-324:QL-05a HTGB:AQG-324:QL-06 DGS:AQG-324:QL-06a H3TRB:AQG-324:QL-07 Dyn.H3TRB:AQG-324:QL-07a IOL:AEC-Q101NIs Power Reliability Offering關注NI微信公眾號【恩艾在您身邊邊】會后獲獲取技術術演講講義講講義及更多干貨貨內容