【導(dǎo)讀】在 SiC 方面，GeneSiC 使用溝槽輔助平面柵極工藝流程，確?？煽康臇艠O氧化物和具有較低傳導(dǎo)損耗的器件。測試表明，在 150-kHz、1,200-V、7.5-kW DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，溫度較低的器件運(yùn)行溫度約為 25°C。據(jù)估計，這種溫差可將器件壽命提高 3 倍。該公司對其 SiC 產(chǎn)品進(jìn)行了 100% 的雪崩測試，其示例如圖 3 所示。
Innoscience 和其他公司已經(jīng)超越了標(biāo)準(zhǔn)的可靠性和生產(chǎn)測試來強(qiáng)調(diào)部件失效，推斷出可以估計 1 ppm 故障率壽命的壽命曲線。動態(tài)導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 作為 GaN 在開關(guān)應(yīng)用中可能的故障模式而被廣泛討論，并且可以被視為材料缺陷的征兆。Innoscience通過多項工藝改進(jìn)解決了這個問題。控制 e-mode HEMT 柵極中的鎂摻雜分布以及 Innoscience 的應(yīng)變增強(qiáng)層 (SEL) 技術(shù)的使用顯著改善了動態(tài) R DS(on) 行為，在整個電壓、溫度范圍和1,000 小時的電阻開關(guān)周期，如圖 1 所示。
圖 1：在柵極中使用 SEL 改善 GaN 動態(tài) RDS(on)（：PCIM 2023 小組討論期間的 Innoscience）
另一個備受關(guān)注的領(lǐng)域是 GaN HEMT 器件缺乏雪崩能力。然而，這些設(shè)備固有的高過壓能力使它們可以安全使用，并具有超過正常設(shè)備工作電壓的足夠瞬態(tài)余量。Innoscience 現(xiàn)在已經(jīng)在幾年內(nèi)出貨了 1.2 億個 GaN 部件，零退貨。
英飛凌科技 SiC 副總裁 Peter Friedrichs 表示，在 SiC 器件的早期開發(fā)階段（2011 年左右），客戶發(fā)現(xiàn)了幾個與器件穩(wěn)定性相關(guān)的問題。這些是 SiC 所獨(dú)有的，因此需要加以了解。設(shè)備必須在標(biāo)準(zhǔn)資格流程之外進(jìn)行測試，并強(qiáng)調(diào)觸發(fā)故障模式以導(dǎo)出故障模型。圖 2 中的典型浴缸故障率曲線顯示了這種用于測量設(shè)備磨損的穩(wěn)健測試。
圖 2：SiC 器件的穩(wěn)健性驗證（：PCIM 2023 小組討論期間的 Infineon Technologies）
設(shè)備的操作模式可以調(diào)節(jié)故障行為。一旦理解了故障模式，就可以使用它來改變硅片中通常使用的鑒定過程。例如，傳統(tǒng)上用于硅器件鑒定的 1,000 小時壓力測試是否足以用于 SiC。英飛凌還沒有一個 SiC 領(lǐng)域失敗返回。
onsemi 的技術(shù)人員 Jaume Roig Guitart 討論了在 onsemi 完成的 SiC 制造和電氣篩選。Onsemi 具有垂直制造流程的優(yōu)勢。這包括從晶體生長一直到器件封裝的能力。因此，它可以嚴(yán)格控制整個流程以確保高質(zhì)量的處理和在線檢查，以排除任何致命缺陷、老化電氣篩選和動態(tài)部件平均測試以去除異常值。客戶應(yīng)用程序任務(wù)概況是為此定制資格計劃的關(guān)鍵步驟。Onsemi 是 JEDEC、ARC 和 AQG324 等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定委員會的積極參與者。
Navitas Semiconductor 收購了 GeneSiC，現(xiàn)在同時生產(chǎn) SiC 和 GaN 功率器件。Navitas 企業(yè)營銷和投資者關(guān)系副總裁 Stephen Oliver 表示，該公司在 GaN 方面的方法是將驅(qū)動器和其他傳感和保護(hù)功能整體集成到 GaN 芯片本身中。這允許增加可靠性增強(qiáng)功能，例如在引腳上具有 2kV ESD 保護(hù)、過熱和過流保護(hù)以及更受控的柵極驅(qū)動。
Navitas 已出貨超過 7500 萬個 GaN IC 部件，現(xiàn)場使用時間超過 5000 億小時。故障率 <1 ppm。Navitas 以高速（2 MHz）測試其 GaN 產(chǎn)品，這對于發(fā)現(xiàn)和解決器件開發(fā)過程中的一些問題至關(guān)重要。硬開關(guān)與軟開關(guān)等特定于應(yīng)用程序的測試可能會顯示出獨(dú)特的故障特征。
在 SiC 方面，GeneSiC 使用溝槽輔助平面柵極工藝流程，確保可靠的柵極氧化物和具有較低傳導(dǎo)損耗的器件。測試表明，在 150-kHz、1,200-V、7.5-kW DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，溫度較低的器件運(yùn)行溫度約為 25°C。據(jù)估計，這種溫差可將器件壽命提高 3 倍。該公司對其 SiC 產(chǎn)品進(jìn)行了 100% 的雪崩測試，其示例如圖 3 所示。
圖 3：GeneSiC 對 SiC MOSFET 的雪崩測試波形（：Navitas Semiconductor 在 PCIM 2023 的小組討論中）
在討論的問答階段，有人問了一個關(guān)于生產(chǎn)可靠性篩選測試的重要性的問題。Lidow 解釋說，設(shè)備中的外在缺陷通?？梢酝ㄟ^生產(chǎn)過載測試來篩選出來?？梢酝ㄟ^定期抽樣和運(yùn)行高度加速的壓力測試來發(fā)現(xiàn)內(nèi)在缺陷。這可以確保不會產(chǎn)生新的故障模式。
Guitart 表示，onsemi 已經(jīng)證明 SiC 器件上的固有柵極氧化物是堅固的。事實上，溝槽硅 FET 需要超過 800 A 的柵極氧化物厚度，才能與具有 500 A 氧化物的 SiC 平面 FET 的固有柵極氧化物壽命相匹配。這在圖 4 中進(jìn)行了描述，該圖顯示了相同厚度下的失效曲線。關(guān)鍵是控制和避免外在缺陷，這涉及高質(zhì)量的晶體生長、確保清潔的界面和控制電荷密度。
圖 4：硅與 SiC 柵極氧化物失效曲線（：PCIM 2023 小組討論期間的 onsemi）
另一個問題是關(guān)于工業(yè)和汽車應(yīng)用之間可靠性要求的差異。Lidow 回答說，也許嚴(yán)格的要求可能是在太陽能逆變器應(yīng)用中。在這里，鳳凰城的一位客戶希望獲得 35 年生命周期內(nèi)的可靠性數(shù)據(jù)。EPC 進(jìn)行了一項研究，以研究各種壓力源，從而開發(fā)故障率模型。圖 5 顯示了柵極氧化層電壓、動態(tài) R DS(on)和封裝的熱機(jī)械循環(huán)的應(yīng)力源。在這種情況下，發(fā)現(xiàn)熱機(jī)械循環(huán)是主要的故障限制因素，35 年的 12,775 次循環(huán)預(yù)計將產(chǎn)生 1% 的故障率。
圖 5：EPC 對各種壓力源的 35 年故障率研究（：EPC 在 PCIM 2023 的小組討論中）
Friedrichs 還回答說，雖然汽車 0-ppm 故障要求更嚴(yán)格，但他們的任務(wù)配置文件通常使用時間更短。因此，具有各種任務(wù)配置文件的工業(yè)應(yīng)用程序可用于在汽車使用之前開發(fā)和改進(jìn)設(shè)備。此外，系統(tǒng)級研究對于了解功率器件周圍的生態(tài)系統(tǒng)及其相互作用也很重要。
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