【英飞凌】如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性_44页_3mb

英飞凌SiC功率半导体器件可靠性分析

1. 引言

针对英飞凌基于CoolSiC™沟槽栅技术的碳化硅功率MOSFET器件，阐述了可靠性控制和保证方法。与硅技术不同，SiC材料特性和运行模式存在显著差异，需要进行额外的可靠性测试和验证流程。

2. 栅极氧化层可靠性

2.1 重要性与挑战

SiC材料缺陷密度比硅高3-4个数量级，导致栅极氧化层早期失效风险更高。SiC MOSFET的栅极氧化层可靠性需通过优化工艺厚度与缺陷密度权衡来提升。

2.2 核心测试方法

• 马拉松应力试验：在接近实测电压下对数千只器件长期测试，实现ppm级失效概率评估
• 栅极电压步进应力试验：适用于供应商间可靠性对比，逐步增大栅压观察失效

3. 偏压温度不稳定性(BTI)

3.1 DCBTI特性

• NBTI负面漂移可控制在与Si器件相当的水平
• PBTI漂移较大（约100mV）但随时间呈线性增加
• 采用改良测量方法区分可恢复与永久漂移分量

3.2 ACBTI特性

在高频开关条件下，阈值电压漂移与开关次数成正比而非线性，新增失效机制需针对性研究。

4. 宇宙射线抗性

采用与硅技术类似的方法评估SiC器件对宇宙射线的不敏感性，通过高通量粒子加速器和大气中子试验建立加速模型，结果显示两种材料机制相似。

5. 短路能力

• SiCMOSFET可实现约3μs短路耐受时间
• 通过优化芯片设计平衡短路能力与导通电阻
• DO-214AC封装测试显示良好性能

6. 新兴失效机制控制

6.1 SiC体二极管退化

• 位错（BPD）引发堆垛层错导致结终端退化
• 采用优化工艺抑制缺陷萌生

6.2 功率循环可靠性

• 与Si器件相同的老化模型，但杨氏模量更高使得键合层退化风险不同
• 改良封装技术支撑SiC模块的高功率密度应用

7. 质量认证与测试方法

7.1 扩展可靠性验证

• 超标寿命测试（3000小时以上）
• 高湿高压测试（HV-H3TRB）
• AC湿度温度循环试验

7.2 工程化保障措施

• 所有产品进行100%栅极氧化层筛查
• 制定二极管反向偏压指导参数
• 成功通过850h H3TRB测试（普通H3TRB仅1000h）

8. 结论

英飞凌通过沟槽结构优化、栅压厚度权衡、多级可靠性验证等创新方法实现了SiCMOSFET与Si器件相当的可靠度，为宽禁带半导体商业化指明了路径。

关键结论

• 通过创新工艺和测试方案，实现了SiCMOSFET栅极氧化层可靠性与Si器件对标
• 多层次失效机制模型支持全面可靠性评估
• 工程实践充分证明了SiC技术在电动汽车、太阳能逆变等严苛应用中的可靠性