傾佳電子碳化硅（SiC）MOSFET可靠性綜合分析：試驗(yàn)方法及其意義

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

執(zhí)行摘要

本報(bào)告對碳化硅（SiC）MOSFET的可靠性試驗(yàn)方法及其深層意義進(jìn)行了全面而詳盡的分析。隨著SiC技術(shù)在電動汽車、可再生能源和高端工業(yè)應(yīng)用中日益普及，對其長期可靠性的嚴(yán)苛驗(yàn)證已成為確保系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的基石。報(bào)告強(qiáng)調(diào)，SiC MOSFET的可靠性評估是一項(xiàng)多維度的系統(tǒng)工程，必須超越傳統(tǒng)的“通過/失敗”判定，深入理解每項(xiàng)試驗(yàn)背后的物理失效機(jī)制。

報(bào)告系統(tǒng)性地剖析了行業(yè)內(nèi)廣泛采用的一整套加速壽命試驗(yàn)方法。這些方法可分為兩大類：評估芯片本征可靠性的試驗(yàn)，以及評估封裝外在可靠性的試驗(yàn)。針對芯片本征可靠性，**高溫反向偏置（HTRB）試驗(yàn)旨在評估器件在關(guān)斷狀態(tài)下的高壓阻斷能力和邊緣端接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；而高溫柵極偏置（HTGB）**試驗(yàn)則專注于評估SiC技術(shù)中最關(guān)鍵的可靠性環(huán)節(jié)——柵極氧化層（SiC/SiO?界面）的完整性與閾值電壓（$V_{GS(th)}$）的穩(wěn)定性。

針對封裝外在可靠性，**高溫高濕反向偏置（H3TRB）和高壓蒸煮（AC）**試驗(yàn)評估封裝材料抵抗?jié)駳馇治g和電化學(xué)腐蝕的能力。**溫度循環(huán)（TC）和間歇運(yùn)行壽命（IOL）**試驗(yàn)則通過模擬溫度波動，評估由材料熱膨脹系數(shù)不匹配（CTE Mismatch）引起的熱機(jī)械應(yīng)力，及其對焊線、芯片貼裝焊料層和封裝分層等造成的疲勞損傷。

本報(bào)告的核心論點(diǎn)在于，這一整套標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)不僅是產(chǎn)品認(rèn)證的必要流程，更是一個(gè)強(qiáng)大的診斷矩陣。通過分析器件在不同應(yīng)力組合下的參數(shù)漂移或失效模式，工程技術(shù)人員能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行根本原因分析，將問題追溯至SiC晶體生長、芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造工藝或封裝組裝等特定環(huán)節(jié)。最終，對這些試驗(yàn)方法及其意義的深刻理解，是成功部署SiC技術(shù)、推動電力電子系統(tǒng)向更高性能、更高可靠性邁進(jìn)的關(guān)鍵所在。

第1章：SiC功率器件可靠性認(rèn)證的必要性

1.1 引言：SiC MOSFET作為電力電子領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)移

碳化硅（SiC）MOSFET的出現(xiàn)，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的一次重大范式轉(zhuǎn)移。相較于傳統(tǒng)的硅（Si）基器件，SiC材料在物理特性上擁有無可比擬的優(yōu)勢。其禁帶寬度約為Si的3倍，臨界擊穿電場強(qiáng)度高出近10倍，熱導(dǎo)率則是Si的3倍以上 。這些卓越的材料特性直接轉(zhuǎn)化為器件層面的性能飛躍，使得SiC MOSFET能夠在更高的電壓、更高的頻率和更高的溫度下運(yùn)行。

在系統(tǒng)應(yīng)用層面，這些器件優(yōu)勢帶來了革命性的價(jià)值。更高的擊穿電場意味著在相同電壓等級下，SiC器件的漂移層可以做得更薄、摻雜濃度更高，從而大幅降低導(dǎo)通電阻（$R_{DS(on)}$），減少導(dǎo)通損耗。更高的開關(guān)頻率允許系統(tǒng)使用更小、更輕的電感和電容等無源元件，顯著提升了功率密度，使得電力電子系統(tǒng)得以小型化和輕量化。優(yōu)異的熱導(dǎo)率則簡化了散熱設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的熱管理能力和整體可靠性 。這些系統(tǒng)級優(yōu)勢使得SiC MOSFET成為電動汽車車載充電器（OBC）與主驅(qū)逆變器、光伏與儲能逆變器、數(shù)據(jù)中心電源以及工業(yè)電機(jī)驅(qū)動等前沿應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。

1.2 SiC技術(shù)的獨(dú)特可靠性挑戰(zhàn)

盡管SiC帶來了巨大的性能優(yōu)勢，但它并非硅器件的簡單“即插即用”替代品。其獨(dú)特的材料屬性和制造工藝也引入了一系列區(qū)別于傳統(tǒng)硅器件的、全新的可靠性挑戰(zhàn) 。對這些挑戰(zhàn)的深入理解是進(jìn)行有效可靠性評估的前提。

1.2.1 柵極氧化層完整性

柵極氧化層是SiC MOSFET中公認(rèn)的最為關(guān)鍵且脆弱的可靠性環(huán)節(jié)。盡管其氧化物材料與硅器件同為二氧化硅（SiO?），但SiC與SiO?之間的界面（SiC/SiO?界面）遠(yuǎn)比Si/SiO?界面復(fù)雜。由于SiC的晶體結(jié)構(gòu)失配以及在熱氧化過程中碳元素的存在，SiC/SiO?界面處會形成更高密度的界面態(tài)陷阱和近界面氧化物陷阱（NITs）。這些陷阱在電場和溫度的共同作用下，會捕獲或釋放載流子，導(dǎo)致器件的關(guān)鍵參數(shù)——閾值電壓（$V_{GS(th)}$）發(fā)生漂移，即偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）現(xiàn)象。此外，SiC器件工作時(shí)承受的電場強(qiáng)度更高，這增加了柵氧層發(fā)生時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿（TDDB）的風(fēng)險(xiǎn) 。

1.2.2 體二極管退化

SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)中天然存在一個(gè)寄生的體二極管。在橋式電路的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，該二極管會導(dǎo)通續(xù)流。然而，SiC外延生長過程中可能存在一種名為基平面位錯(cuò)（BPDs）的晶體缺陷。在體二極管雙極性導(dǎo)通（即電子和空穴同時(shí)注入）期間，復(fù)合能量會誘使這些BPDs擴(kuò)展，形成層錯(cuò)（SFs）9。這些層錯(cuò)在漂移區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為局部高電阻區(qū)域，導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻（$R_{DS(on)}$）隨時(shí)間增加而劣化，進(jìn)而增加導(dǎo)通損耗，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)熱失控 。

1.2.3 其他SiC特有的問題

除了上述兩大核心問題，SiC器件還面臨其他挑戰(zhàn)。例如，為了獲得更低的導(dǎo)通電阻，SiC MOSFET的芯片面積通常遠(yuǎn)小于同等電流規(guī)格的硅器件，這導(dǎo)致其在短路工況下單位面積承受的電流密度和熱量急劇增加，短路耐受時(shí)間（SCWT）較短，對保護(hù)電路的設(shè)計(jì)提出了更高要求 。此外，在高海拔或航空航天應(yīng)用中，SiC器件對宇宙射線等高能粒子更為敏感，更容易發(fā)生單粒子燒毀（SEB）現(xiàn)象 。

1.3 加速壽命試驗(yàn)（ALT）的角色

面對這些獨(dú)特的可靠性挑戰(zhàn)，必須采用一套行之有效的評估方法。加速壽命試驗(yàn)（ALT）應(yīng)運(yùn)而生，其核心目標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，通過施加遠(yuǎn)超正常工作條件的應(yīng)力（如高溫、高壓、高濕等），在較短的時(shí)間內(nèi)（通常為數(shù)百至一千小時(shí)）激發(fā)并暴露那些在正常使用壽命（通常長達(dá)數(shù)年甚至數(shù)十年）內(nèi)才會出現(xiàn)的潛在失效模式 。

這種加速測試對于要求高可靠性的應(yīng)用至關(guān)重要。例如，汽車電子領(lǐng)域的AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)和高端工業(yè)應(yīng)用都要求器件具備極長的使用壽命和極低的失效率 。通過ALT，制造商可以在產(chǎn)品發(fā)布前識別并解決設(shè)計(jì)或工藝上的薄弱環(huán)節(jié)，確保產(chǎn)品滿足這些嚴(yán)苛的要求。

重要的是，單一的測試無法全面評估器件的可靠性。必須采用一套組合的試驗(yàn)方案，分別針對器件的不同部分和不同的失效機(jī)制。這些試驗(yàn)大致可分為兩類：一類是評估半導(dǎo)體芯片自身穩(wěn)定性的本征可靠性試驗(yàn)，另一類是評估封裝結(jié)構(gòu)及其與芯片相互作用的外在可靠性試驗(yàn) 。只有通過了這樣一套全面的考驗(yàn)，才能證明一個(gè)SiC MOSFET產(chǎn)品在各種復(fù)雜工況下的長期可靠性。

在這一過程中，一個(gè)核心的轉(zhuǎn)變是從簡單地遵循為硅器件制定的標(biāo)準(zhǔn)，到深刻理解這些標(biāo)準(zhǔn)如何應(yīng)用于具有完全不同失效物理的SiC器件。半導(dǎo)體行業(yè)長期依賴于JEDEC和MIL-STD等成熟標(biāo)準(zhǔn)體系，這些體系主要基于數(shù)十年的硅技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累而成 。當(dāng)把一個(gè)典型的測試（如HTGB）應(yīng)用于SiC MOSFET時(shí)，雖然測試流程相同，但其結(jié)果（如$V_{GS(th)}$漂移）的幅度和背后的陷阱動力學(xué)過程與硅器件截然不同 。因此，僅僅依據(jù)硅器件的允收標(biāo)準(zhǔn)來判斷“通過”或“失敗”可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。真正的工程價(jià)值在于理解器件為何以及如何通過測試，并將結(jié)果與SiC特有的物理機(jī)制聯(lián)系起來。這種從“合規(guī)性檢查”到“工程診斷”的思維轉(zhuǎn)變，是構(gòu)建真正可靠的SiC電力電子系統(tǒng)的關(guān)鍵。

第2章：高壓與熱應(yīng)力下的可靠性評估（本征可靠性）

為了系統(tǒng)性地評估SiC MOSFET的本征可靠性，即半導(dǎo)體芯片自身的設(shè)計(jì)、材料和制造工藝的穩(wěn)健性，行業(yè)采用了一系列標(biāo)準(zhǔn)化的加速應(yīng)力測試。這些測試通過施加嚴(yán)苛的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，旨在暴露芯片內(nèi)部潛在的缺陷和長期退化機(jī)制。下表綜合了本次分析所依據(jù)的可靠性報(bào)告中涉及的主要試驗(yàn)項(xiàng)目、條件及標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)的詳細(xì)論述提供一個(gè)全面的參考框架 。

2.1 高溫反向偏置（HTRB）試驗(yàn)

2.1.1 原理與目標(biāo)

高溫反向偏置（HTRB）試驗(yàn)是評估功率半導(dǎo)體器件在關(guān)斷狀態(tài)下長期可靠性的核心方法。其目標(biāo)是檢驗(yàn)器件在承受最大額定電壓和最高工作溫度的雙重壓力下，其阻斷能力是否會隨時(shí)間退化 18。對于高壓SiC MOSFET而言，HTRB試驗(yàn)的重點(diǎn)不僅在于驗(yàn)證主PN結(jié)的完整性，更關(guān)鍵的是評估芯片邊緣為分散高電場而設(shè)計(jì)的復(fù)雜端接結(jié)構(gòu)（如結(jié)終端擴(kuò)展、場限環(huán)等）的長期穩(wěn)定性。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)化流程 (MIL-STD-750 M1038)

根據(jù)所提供的可靠性報(bào)告，典型的HTRB試驗(yàn)條件為：將器件的結(jié)溫（$T_{j}$）升高至175°C，同時(shí)在漏源兩端施加一個(gè)接近其額定擊穿電壓的反向偏置電壓（$V_{R}$），例如對于額定電壓650V的器件，施加650V的電壓，或通常為額定值的80%。柵源兩端保持0V或施加一個(gè)輕微的負(fù)偏壓，以確保溝道完全關(guān)閉 。整個(gè)應(yīng)力過程持續(xù)1000小時(shí) 。在試驗(yàn)前后及關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，需要精確測量器件的靜態(tài)參數(shù)。

2.1.3 失效物理

HTRB試驗(yàn)通過高溫和高電場的協(xié)同作用，加速了多種潛在的失效機(jī)制：

離子遷移：在高溫下，芯片表面或鈍化層中殘留的移動離子（如Na?）會獲得更高的遷移率。在漏源間強(qiáng)電場的作用下，這些離子會發(fā)生定向漂移，并在高電場區(qū)域（如端接環(huán)的邊緣）聚集。這些聚集的電荷會扭曲原有的電場分布，可能導(dǎo)致局部電場過高，從而引發(fā)提前擊穿 。

電荷俘獲：在強(qiáng)電場下，載流子可能被注入到鈍化層（如SiO?或SiN）或其與SiC的界面陷阱中。這些被俘獲的電荷同樣會改變端接結(jié)構(gòu)中的電場分布，降低其有效性，最終導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆?。

參數(shù)漂移：HTRB試驗(yàn)后，主要的失效判據(jù)是關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)的漂移。最常見的退化現(xiàn)象是零柵壓漏電流（$I_{DSS}$）的顯著增加和漏源擊穿電壓（$V_{(BR)DSS}$）的降低。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良、工藝潔凈的SiC MOSFET，在完成1000小時(shí)HTRB試驗(yàn)后，其擊穿電壓的漂移應(yīng)非常小，例如小于2%，這被視為端接結(jié)構(gòu)穩(wěn)健的重要標(biāo)志 。

2.1.4 試驗(yàn)意義

通過HTRB試驗(yàn)，可以有效地驗(yàn)證SiC MOSFET在整個(gè)生命周期內(nèi)保持其高壓阻斷能力的可靠性。這對于逆變器等應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，器件在一半以上的時(shí)間里都處于阻斷高直流母線電壓的狀態(tài)。如果在HTRB試驗(yàn)中出現(xiàn)失效，通常指向兩個(gè)層面的問題：一是芯片設(shè)計(jì)層面，特別是邊緣端接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)裕量不足；二是晶圓制造工藝層面，如鈍化層質(zhì)量不佳或工藝過程中引入了離子污染 。因此，HTRB是確保器件在實(shí)際應(yīng)用中不會因電場或熱應(yīng)力而發(fā)生意外擊穿的關(guān)鍵質(zhì)量關(guān)卡。

2.2 高溫柵極偏置（HTGB）試驗(yàn)

2.2.1 原理與目標(biāo)

高溫柵極偏置（HTGB）試驗(yàn)是專門為評估MOSFET柵極氧化層（Gate Oxide）的長期可靠性而設(shè)計(jì)的，這對于SiC MOSFET而言尤為重要，因?yàn)槿缜八觯琒iC/SiO?界面是其可靠性的核心挑戰(zhàn) 。該試驗(yàn)通過在高溫下對柵極施加持續(xù)的直流電壓，模擬器件在導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)下柵氧層承受的電應(yīng)力，旨在加速與柵氧層相關(guān)的退化機(jī)制。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化流程 (JESD22-A108)

HTGB試驗(yàn)通常分為正偏和負(fù)偏兩種模式，以全面評估柵氧在不同偏置方向下的穩(wěn)定性。根據(jù)報(bào)告中的數(shù)據(jù)，典型條件為：結(jié)溫（$T_{j}$）設(shè)定在175°C，應(yīng)力持續(xù)時(shí)間為1000小時(shí) 。

正偏壓溫度不穩(wěn)定性 (PBTI)：在柵源之間施加一個(gè)持續(xù)的正電壓，如+22V。這個(gè)條件模擬了器件長時(shí)間處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時(shí)柵極承受的應(yīng)力。

負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性 (NBTI)：在柵源之間施加一個(gè)持續(xù)的負(fù)電壓，如-10V。這個(gè)條件模擬了在許多驅(qū)動方案中為了確保器件可靠關(guān)斷、防止寄生導(dǎo)通而施加的負(fù)柵壓。

2.2.3 失效物理

高溫和柵極強(qiáng)電場的結(jié)合，極大地加速了SiC/SiO?界面及附近氧化層中的電荷俘獲過程：

電子俘獲 (PBTI)：在正柵壓作用下，SiC導(dǎo)電溝道中的電子會被吸引并隧穿注入到柵氧層中，最終被界面附近或氧化層體內(nèi)的缺陷（即近界面氧化物陷阱，NITs）所俘獲。這些被俘獲的電子在柵氧中形成了凈負(fù)電荷，它會部分屏蔽柵極電壓的作用，使得開啟器件變得更加困難。宏觀上，這表現(xiàn)為閾值電壓（$V_{GS(th)}$）向正方向漂移 。

空穴俘獲 (NBTI)：在負(fù)柵壓作用下，情況則相反，價(jià)帶中的空穴被吸引并俘獲到陷阱中。這些被俘獲的空穴在柵氧中形成了凈正電荷，使得在較低的柵壓下就能形成導(dǎo)電溝道，即開啟器件變得更容易。宏觀上，這表現(xiàn)為閾值電壓（$V_{GS(th)}$）向負(fù)方向漂移 。

時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿 (TDDB)：無論是電子還是空穴的俘獲，都會在氧化層中逐漸累積缺陷。當(dāng)缺陷密度達(dá)到臨界水平時(shí)，會形成一個(gè)貫穿氧化層的導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致柵極與源極或漏極之間發(fā)生永久性的短路，這是柵氧的最終、災(zāi)難性的失效模式 。

2.2.4 試驗(yàn)意義

$V_{GS(th)}$的穩(wěn)定性對于電力電子系統(tǒng)的可預(yù)測、可靠運(yùn)行至關(guān)重要。HTGB試驗(yàn)的結(jié)果直接關(guān)系到器件在實(shí)際應(yīng)用中的性能和安全。

顯著的閾值電壓正向漂移會導(dǎo)致器件在相同的柵極驅(qū)動電壓下，其導(dǎo)通電阻（$R_{DS(on)}$）增大。這會直接增加導(dǎo)通損耗，降低系統(tǒng)效率，并可能引發(fā)額外的散熱問題 。

顯著的閾值電壓負(fù)向漂移則更為危險(xiǎn)。它會減小器件的抗噪聲裕量。在高速開關(guān)的橋式電路中，由另一個(gè)橋臂開關(guān)引起的$dV/dt$噪聲很容易通過米勒電容耦合到柵極，如果此時(shí)的閾值電壓已經(jīng)變得很低，就可能導(dǎo)致器件被意外地寄生導(dǎo)通，形成上下橋臂直通（Shoot-through），從而引發(fā)災(zāi)難性的系統(tǒng)故障 。

因此，通過HTGB試驗(yàn)且$V_{GS(th)}$漂移極?。ɡ?，在數(shù)千小時(shí)測試后漂移小于0.2V被認(rèn)為是卓越性能的表現(xiàn)）是高質(zhì)量柵氧工藝的直接證明，預(yù)示著器件具有長期的運(yùn)行壽命和穩(wěn)定的開關(guān)特性 。

HTRB和HTGB這兩項(xiàng)試驗(yàn)共同構(gòu)成了對SiC MOSFET芯片本征可靠性的核心評估。它們并非孤立的測試項(xiàng)目，而是互為補(bǔ)充，共同描繪了器件在兩種基本工作狀態(tài)下的穩(wěn)健性。一個(gè)功率開關(guān)的核心功能是在關(guān)斷時(shí)可靠地阻斷電壓，在導(dǎo)通時(shí)高效地傳導(dǎo)電流。HTRB試驗(yàn)直接模擬了最嚴(yán)苛的關(guān)斷狀態(tài)——在最高溫度下承受最高電壓，其焦點(diǎn)是器件的邊緣端接和體材料特性 。如果HTRB失敗，意味著器件無法被信任用于隔離高壓。而HTGB試驗(yàn)則直接模擬了控制端（柵極）在導(dǎo)通（正偏）和關(guān)斷（負(fù)偏）期間所承受的應(yīng)力，其焦點(diǎn)是脆弱的SiC/SiO?界面 。如果HTGB失敗，意味著器件的開關(guān)特性不穩(wěn)定，同樣無法被信任。因此，一個(gè)器件必須同時(shí)通過這兩項(xiàng)測試，才能被認(rèn)為其芯片本身是可靠的。一個(gè)穩(wěn)定的柵極若無法阻斷電壓（HTRB失效）則毫無意義，反之亦然。這種互補(bǔ)關(guān)系強(qiáng)調(diào)了在考慮封裝影響之前，對SiC芯片本身進(jìn)行全面認(rèn)證的整體性方法。

第3章：環(huán)境與熱機(jī)械應(yīng)力下的穩(wěn)健性評估（外在可靠性）

在驗(yàn)證了半導(dǎo)體芯片的本征可靠性之后，下一步是評估其在封裝保護(hù)下，應(yīng)對外部環(huán)境和內(nèi)部熱機(jī)械應(yīng)力的能力。這部分試驗(yàn)關(guān)注的是封裝的“外在可靠性”，即封裝材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組裝工藝的質(zhì)量。

3.1 高溫高濕反向偏置（H3TRB）試驗(yàn)

3.1.1 原理與目標(biāo)

高溫高濕反向偏置（H3TRB）試驗(yàn)旨在評估非氣密性封裝的器件在潮濕環(huán)境下并同時(shí)承受電應(yīng)力時(shí)的可靠性，這是一種非常貼近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的嚴(yán)苛考驗(yàn) 。其目標(biāo)是加速由濕氣滲透引起的各種失效模式，檢驗(yàn)封裝對內(nèi)部芯片的保護(hù)能力。

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)化流程 (JESD22-A101)

該試驗(yàn)以其標(biāo)志性的“85/85”條件而聞名：將器件置于環(huán)境溫度為85°C、相對濕度（RH）為85%的環(huán)境倉中，同時(shí)在漏源兩端施加一個(gè)高的反向偏置電壓（例如，額定電壓的80%，即520V），并持續(xù)1000小時(shí) 。

3.1.3 失效物理

H3TRB試驗(yàn)巧妙地結(jié)合了溫度、濕度和電壓三大應(yīng)力源，協(xié)同加速封裝層面的退化：

濕氣滲透：高溫高濕環(huán)境為水分子提供了強(qiáng)大的驅(qū)動力，使其能夠通過塑封料（Molding Compound）的本體滲透，或者沿著塑封料與金屬引腳之間的微觀界面“溜”進(jìn)封裝內(nèi)部 。

電化學(xué)腐蝕：一旦水分子到達(dá)芯片表面，在高反偏電壓形成的強(qiáng)電場作用下，會發(fā)生電解，形成一個(gè)微觀的“腐蝕電池”。這會引發(fā)芯片表面的鋁金屬化（如焊盤）發(fā)生電化學(xué)腐蝕，生成非導(dǎo)電的氫氧化鋁，最終可能導(dǎo)致漏電路徑的形成或連接開路 29。

鈍化層退化：芯片表面的鈍化層（通常是氮化硅或聚酰亞胺）是抵御濕氣和離子的最后一道防線。H3TRB試驗(yàn)同樣對這層材料的完整性和附著力構(gòu)成了嚴(yán)峻的考驗(yàn) 。

3.1.4 試驗(yàn)意義

H3TRB是所有采用非氣密性塑料封裝的功率器件必須通過的關(guān)鍵認(rèn)證測試。通過此項(xiàng)測試，意味著該產(chǎn)品的封裝材料（塑封料）具有足夠低的透濕率，并且封裝工藝（如塑封料與引線框架的粘合）質(zhì)量優(yōu)良，能夠有效阻止外部濕氣在器件的整個(gè)生命周期內(nèi)侵入并造成損害 24。隨著SiC器件越來越多地應(yīng)用于高壓直流場合，傳統(tǒng)的低壓H3TRB測試已不足以反映真實(shí)工況，因此，施加高直流偏壓的H3TRB-HVDC測試變得尤為重要和嚴(yán)苛，它能更真實(shí)地評估SiC器件在惡劣工業(yè)或汽車環(huán)境下的長期可靠性 。

3.2 溫度循環(huán)（TC）與間歇運(yùn)行壽命（IOL）試驗(yàn)

3.2.1 原理與目標(biāo)

溫度循環(huán)（TC）和間歇運(yùn)行壽命（IOL）試驗(yàn)是評估功率器件熱機(jī)械可靠性的兩大核心手段。它們的目標(biāo)是模擬器件因環(huán)境溫度變化或自身功率通斷而經(jīng)歷的溫度波動，從而加速由熱機(jī)械應(yīng)力引起的疲勞失效，這是功率器件最主要的磨損失效機(jī)制之一 。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化流程

TC (JESD22-A104)：這是一種被動測試。器件處于非工作狀態(tài)，被放置在一個(gè)可以快速改變內(nèi)部空氣溫度的溫箱中，使其在兩個(gè)極端溫度點(diǎn)（例如-55°C和150°C）之間反復(fù)循環(huán)。每次循環(huán)都包含足夠的保溫時(shí)間以確保器件內(nèi)外溫度均勻。整個(gè)測試通常包含數(shù)百至一千次循環(huán) 。

IOL (MIL-STD-750 M1037)：這是一種主動測試。器件被施加功率，通過自身的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗發(fā)熱，達(dá)到一個(gè)較高的結(jié)溫；然后切斷功率，通過散熱器強(qiáng)制冷卻至較低溫度。這個(gè)過程的目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)足夠大的結(jié)溫?cái)[幅（$triangle T_{j}$），例如大于等于100°C，并重復(fù)數(shù)萬次循環(huán)（例如15,000次）。

3.2.3 失效物理

這兩種測試的根本物理原理是封裝內(nèi)部不同材料之間熱膨脹系數(shù)（CTE）的不匹配 。封裝由多種材料構(gòu)成，包括SiC芯片、銅引線框架、貼片焊料、鋁焊線和環(huán)氧樹脂塑封料等。當(dāng)溫度變化時(shí)，這些材料會以不同的速率膨脹和收縮，從而在它們的結(jié)合界面上產(chǎn)生巨大的機(jī)械應(yīng)力。

日積月累的循環(huán)應(yīng)力會導(dǎo)致材料的疲勞損傷，最終表現(xiàn)為以下幾種典型的失效模式：

焊線疲勞與剝離：連接芯片焊盤和引線框架的鋁焊線，尤其是在其根部（heel）或鍵合點(diǎn)，會因反復(fù)的彎曲應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，最終斷裂或從焊盤上剝離（lift-off）。

芯片貼裝焊料層開裂：位于芯片和基板之間的大面積焊料層，會因剪切應(yīng)力的作用而產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋的擴(kuò)展會增加器件的熱阻，導(dǎo)致結(jié)溫在相同功率下升高，進(jìn)一步加速退化，形成惡性循環(huán)。

封裝分層：塑封料與芯片表面或引線框架之間的粘合界面，也可能因熱失配應(yīng)力而發(fā)生分層（delamination）。

3.2.4 試驗(yàn)意義

TC和IOL試驗(yàn)是預(yù)測封裝器件機(jī)械壽命和耐久性的主要依據(jù)。其中，IOL試驗(yàn)由于熱量由芯片內(nèi)部產(chǎn)生，能更真實(shí)地模擬器件在實(shí)際功率循環(huán)應(yīng)用中的熱梯度分布，因此被認(rèn)為更能代表器件的實(shí)際運(yùn)行工況 。通過這兩項(xiàng)嚴(yán)苛的循環(huán)測試，可以驗(yàn)證封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、材料選擇的匹配性以及組裝工藝的質(zhì)量，確保器件能夠承受其預(yù)期壽命內(nèi)反復(fù)開關(guān)所帶來的機(jī)械沖擊。

對這兩種熱循環(huán)測試的區(qū)分至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兘沂玖朔庋b可靠性的不同方面。功率器件在其生命周期中會經(jīng)歷兩種主要的熱應(yīng)力：一種是源于自身運(yùn)行的功率循環(huán)（自發(fā)熱），另一種是源于外部環(huán)境的溫度變化。IOL測試直接模擬了前一種運(yùn)行應(yīng)力 。熱源是芯片本身，從結(jié)到殼形成一個(gè)陡峭的溫度梯度，這對最靠近芯片的部件——芯片貼裝焊料和鍵合焊線——施加了最嚴(yán)酷的考驗(yàn)。因此，IOL是預(yù)測因主動使用而導(dǎo)致的磨損失效的最佳指標(biāo)。相比之下，TC測試模擬的是環(huán)境應(yīng)力，如運(yùn)輸、存儲或在溫度波動劇烈的環(huán)境中工作 。整個(gè)器件從外部被加熱和冷卻，溫度分布相對均勻。這種應(yīng)力主要考驗(yàn)封裝的宏觀結(jié)構(gòu)，特別是塑封料與引線框架之間的大面積界面。因此，一個(gè)器件可能通過了TC測試但卻在IOL測試中失敗，反之亦然。全面的可靠性認(rèn)證必須包含這兩種測試，以確保器件無論是在持續(xù)工作還是在惡劣環(huán)境中閑置時(shí)都同樣可靠。這表明封裝可靠性并非單一指標(biāo)，而是其對不同應(yīng)力模式響應(yīng)的綜合體現(xiàn)。

3.3 加速抗?jié)裥裕ǜ邏赫糁?AC）試驗(yàn)

3.3.1 原理與目標(biāo)

高壓蒸煮（Autoclave，簡稱AC）試驗(yàn)是一種高度加速的、通常是破壞性的測試，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在極短時(shí)間內(nèi)評估封裝抵抗?jié)駳鉂B透的極限能力 。

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化流程 (JESD22-A102)

該試驗(yàn)將器件放置在一個(gè)類似高壓鍋的密閉容器中，施加高溫（121°C）、100%相對濕度（飽和蒸汽）和高壓（約2個(gè)大氣壓，或15 psig）的極端環(huán)境，并持續(xù)一段時(shí)間（例如96小時(shí)）。與H3TRB不同，AC試驗(yàn)期間不施加任何電偏置。

3.3.3 失效物理

這種飽和蒸汽環(huán)境利用壓力作為驅(qū)動力，強(qiáng)制水分子侵入封裝的任何薄弱環(huán)節(jié)，如材料本身的微觀孔隙、不同材料間粘合不良的界面或微裂紋。它旨在迅速暴露可能導(dǎo)致分層、腐蝕或其他濕氣相關(guān)失效的潛在缺陷 。

3.3.4 試驗(yàn)意義

AC試驗(yàn)并非模擬任何真實(shí)的終端應(yīng)用環(huán)境，而是一種“酷刑測試”（torture test）。它主要用于封裝的初始認(rèn)證階段，尤其是在引入新的封裝材料（如新的塑封料、芯片貼裝膠）或新的封裝設(shè)計(jì)時(shí)。通過這種極端測試，可以快速評估封裝的氣密性和材料的內(nèi)在穩(wěn)定性，是一種高效的篩選和驗(yàn)證手段 40。

第4章：針對SiC特有失效模式的試驗(yàn)方法綜合應(yīng)用

將前述的系列可靠性試驗(yàn)視為一個(gè)有機(jī)的整體，而非孤立的認(rèn)證項(xiàng)目，可以將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)強(qiáng)大的診斷工具箱。通過綜合分析器件在不同試驗(yàn)中的表現(xiàn)，能夠精準(zhǔn)地定位SiC技術(shù)中特有的薄弱環(huán)節(jié)。

4.1 診斷方法：利用試驗(yàn)組合定位SiC的薄弱環(huán)節(jié)

本節(jié)將重新審視這套試驗(yàn)，不再將其看作一份簡單的認(rèn)證清單，而是作為一個(gè)能夠識別并剖析SiC特有失效模式根本原因的診斷框架。

4.2 應(yīng)對柵極氧化層的挑戰(zhàn)

閾值電壓（$V_{GS(th)}$）的不穩(wěn)定性是SiC MOSFET最受關(guān)注的可靠性問題。HTGB試驗(yàn)是直接探測這一機(jī)制的最有效手段 。通過精確測量HTGB試驗(yàn)前后$V_{GS(th)}$漂移的大小和方向，可以深入了解SiC/SiO?界面的質(zhì)量。例如，一個(gè)較小的正向漂移（PBTI）和一個(gè)可控的負(fù)向漂移（NBTI）通常表明晶圓廠采用了高質(zhì)量的柵氧生長工藝以及有效的后處理技術(shù)，如氮化退火，該技術(shù)能有效鈍化界面陷阱，提高界面穩(wěn)定性 。

然而，靜態(tài)的HTGB測試并不能完全反映器件在實(shí)際開關(guān)應(yīng)用中的行為。近年來，一些研究開始關(guān)注動態(tài)柵極應(yīng)力（DGS）測試。這類測試通過對柵極施加高頻開關(guān)脈沖，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)HTGB測試中不明顯的$V_{GS(th)}$漂移現(xiàn)象 。這表明，在動態(tài)開關(guān)過程中，陷阱的充放電行為可能更為復(fù)雜。這推動了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)向更貼近實(shí)際應(yīng)用的動態(tài)測試方法演進(jìn)，以更全面地評估柵極的可靠性。

4.3 探測體二極管的退化

體二極管的退化是一種隱蔽的磨損失效，靜態(tài)測試幾乎無法發(fā)現(xiàn)。其物理根源在于，只有當(dāng)體二極管正向?qū)?，發(fā)生載流子復(fù)合時(shí)，才會誘發(fā)層錯(cuò)的擴(kuò)展 。

在標(biāo)準(zhǔn)可靠性試驗(yàn)組合中，IOL（間歇運(yùn)行壽命）測試無意中為探測該問題提供了有效的平臺。在橋式電路的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流必須流經(jīng)MOSFET的體二極管。因此，在IOL測試的數(shù)萬次功率循環(huán)中，體二極管同樣經(jīng)歷了數(shù)萬次的短暫正向?qū)?。這足以激活并累積層錯(cuò)缺陷。

體二極管退化的關(guān)鍵指標(biāo)不是災(zāi)難性失效，而是在數(shù)千次循環(huán)后，器件的導(dǎo)通電阻（$R_{DS(on)}$）或體二極管正向壓降（$V_{SD}$）出現(xiàn)緩慢但可測量的增加 。因此，在進(jìn)行IOL試驗(yàn)時(shí)，定期監(jiān)測這些參數(shù)的變化，對于捕捉這種對SiC而言至關(guān)重要的磨損機(jī)制是不可或缺的。

4.4 描繪一幅完整的可靠性畫像

綜上所述，這一整套可靠性試驗(yàn)從不同維度、不同層面共同構(gòu)建了對一個(gè)SiC MOSFET產(chǎn)品的全面評估，缺一不可：

HTRB與HTGB：共同認(rèn)證了半導(dǎo)體芯片的本征可靠性，確保其在電學(xué)和熱學(xué)應(yīng)力下，核心的阻斷和開關(guān)功能是穩(wěn)定和持久的。

TC與IOL：共同認(rèn)證了封裝的熱機(jī)械結(jié)構(gòu)完整性，確保器件能夠承受因溫度變化引起的反復(fù)機(jī)械應(yīng)力，這是決定其機(jī)械壽命的關(guān)鍵。

H3TRB與AC：共同認(rèn)證了封裝材料的環(huán)境耐受性，確保封裝能夠有效保護(hù)內(nèi)部芯片免受濕氣等外部環(huán)境因素的侵蝕。

一個(gè)成功通過所有這些試驗(yàn)的SiC MOSFET產(chǎn)品，證明了其在SiC材料質(zhì)量、芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造工藝和封裝工程等所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)都達(dá)到了高標(biāo)準(zhǔn)，從而為用戶在嚴(yán)苛應(yīng)用中長期可靠地使用該器件提供了堅(jiān)實(shí)的信心。

這套試驗(yàn)組合的真正威力在于其診斷能力，它構(gòu)成了一個(gè)全面的診斷矩陣。器件在不同測試中表現(xiàn)出的特定參數(shù)漂移或失效模式，為工程師提供了一套進(jìn)行根本原因分析的線索，能夠?qū)⒂^察到的問題歸因于從SiC晶體到最終封裝的整個(gè)制造鏈中的特定環(huán)節(jié)。

例如，設(shè)想一個(gè)假設(shè)的器件，它通過了除HTGB之外的所有測試，但在HTGB中顯示出巨大的$V_{GS(th)}$漂移。這強(qiáng)烈表明問題出在晶圓廠的柵極氧化工藝上，可能與氧化爐的潔凈度、退火氣氛或工藝參數(shù)控制有關(guān) 。

再考慮另一種情況：一個(gè)器件完美通過了所有本征可靠性測試（HTGB, HTRB），但在IOL測試中，其$R_{DS(on)}$隨循環(huán)次數(shù)的增加而持續(xù)上升。這可能指向兩種不同的根本原因：一是體二極管退化，這與SiC外延層或襯底的晶體質(zhì)量（如BPD密度）直接相關(guān) [10, 11]；二是芯片貼裝焊料層出現(xiàn)了早期的疲勞開裂，導(dǎo)致熱阻增加，進(jìn)而使$R_{DS(on)}$因結(jié)溫升高而增大。通過進(jìn)一步的失效分析（如掃描聲學(xué)顯微鏡檢查分層）即可區(qū)分這兩種情況。

最后，如果一個(gè)器件通過了所有芯片級和功率循環(huán)測試，卻在H3TRB測試中失效，例如漏電流大幅增加，那么問題幾乎可以肯定地指向封裝材料本身或其與引線框架的粘合工藝，這是一個(gè)純粹的封裝問題 。

這種強(qiáng)大的診斷能力，是這套試驗(yàn)組合最深遠(yuǎn)的意義所在。它將可靠性測試從一個(gè)簡單的、用于產(chǎn)品放行的“關(guān)卡”，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)驅(qū)動工程技術(shù)持續(xù)改進(jìn)的強(qiáng)大反饋回路，其影響力貫穿了SiC MOSFET制造的每一個(gè)環(huán)節(jié)。

第5章：標(biāo)準(zhǔn)化的作用與特定應(yīng)用洞察

5.1 JEDEC與MIL-STD標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)性作用

在半導(dǎo)體行業(yè)中，JEDEC（固態(tài)技術(shù)協(xié)會）和MIL-STD（美國軍用標(biāo)準(zhǔn)）等標(biāo)準(zhǔn)化組織扮演著至關(guān)重要的角色。它們通過制定和發(fā)布一系列標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法，為整個(gè)行業(yè)提供了一套“通用語言” 。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了測試的目的、設(shè)備、程序和判據(jù)，確保了不同制造商、不同批次的產(chǎn)品都在統(tǒng)一的基準(zhǔn)下進(jìn)行評估。這使得測試結(jié)果具有可比性，為供應(yīng)鏈上下游的企業(yè)（從芯片制造商到系統(tǒng)集成商）之間建立了信任和互操作性的基礎(chǔ) 。

JEDEC標(biāo)準(zhǔn)主要面向商業(yè)和工業(yè)級電子元器件，而MIL-STD則針對軍事和航空航天等對可靠性要求更為嚴(yán)苛的領(lǐng)域。盡管應(yīng)用領(lǐng)域不同，但許多基礎(chǔ)的測試方法是相通或類似的，例如，JESD22-A108 (HTGB/HTRB) 和 MIL-STD-750 Method 1038 (HTRB) 在核心思想上是一致的 。

需要明確的是，JEDEC本身并不提供“認(rèn)證”服務(wù)。制造商通常會聲明其產(chǎn)品“符合”（compliant with）、“通過”（passes）或“依據(jù)……標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了認(rèn)證”（qualified to）某個(gè)具體的JESD22測試方法。這意味著制造商已按照標(biāo)準(zhǔn)流程執(zhí)行了測試并獲得了通過的結(jié)果，這是對產(chǎn)品可靠性的一種自我聲明和承諾 。

5.2 關(guān)聯(lián)關(guān)鍵任務(wù)需求：以汽車電子（AEC-Q101）為例

對于汽車電子等對安全性和可靠性有極致要求的行業(yè)，通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可能不足以滿足其需求。為此，汽車電子委員會（AEC）制定了專門的元器件認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，其中AEC-Q101是針對分立半導(dǎo)體器件的規(guī)范 。

AEC-Q101本身并不創(chuàng)造全新的測試方法，而是系統(tǒng)性地引用JEDEC和MIL-STD中的標(biāo)準(zhǔn)測試方法，并在此基礎(chǔ)上提出更嚴(yán)格的要求。這些“更嚴(yán)格”的要求通常體現(xiàn)在：更長的測試時(shí)間（如HTRB/HTGB測試時(shí)間可能要求超過1000小時(shí)）、更寬的溫度范圍、更大的樣本數(shù)量、以及要求測試樣品必須來自多個(gè)不同的生產(chǎn)批次，以覆蓋工藝波動。通過這種方式，AEC-Q101將基礎(chǔ)的可靠性測試方法與汽車應(yīng)用的嚴(yán)苛使命剖面（Mission Profile）緊密結(jié)合起來，確保了進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈的每一個(gè)元器件都具備極高的穩(wěn)健性 。這充分展示了基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是如何被特定行業(yè)采納并加以強(qiáng)化，以滿足其獨(dú)特的高可靠性需求的。

5.3 解讀可靠性報(bào)告及結(jié)論

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
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對于本報(bào)告的目標(biāo)讀者——電力電子工程師和技術(shù)管理者而言，正確解讀一份可靠性報(bào)告是做出明智元器件選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策的關(guān)鍵。以本分析所依據(jù)的可靠性報(bào)告為例 ，在審閱時(shí)，關(guān)注點(diǎn)不應(yīng)僅僅停留在最終的“通過”（Pass）結(jié)論上。更應(yīng)仔細(xì)審查以下信息：

測試條件：是否與預(yù)期的應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)力水平相匹配？例如，HTRB測試的電壓和溫度是否足夠接近器件的極限規(guī)格？

樣本數(shù)量和批次數(shù)：足夠大的樣本量（如每項(xiàng)測試77顆）和來自多個(gè)批次的樣品，能更好地代表產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)特性和生產(chǎn)一致性。

參數(shù)漂移數(shù)據(jù)（如果提供）：相比于簡單的通過/失敗，試驗(yàn)前后的參數(shù)變化數(shù)據(jù)（如$V_{GS(th)}$漂移了多少毫伏）能提供更多關(guān)于器件穩(wěn)定裕度的信息。

結(jié)論

SiC MOSFET的可靠性是一個(gè)涉及材料科學(xué)、半導(dǎo)體物理、器件設(shè)計(jì)、制造工藝和封裝工程的復(fù)雜多維挑戰(zhàn)。本文深入剖析的一整套可靠性試驗(yàn)方法，是當(dāng)前行業(yè)用于系統(tǒng)性驗(yàn)證SiC器件在這些多重維度上是否達(dá)到卓越標(biāo)準(zhǔn)的必要手段。從評估芯片本征穩(wěn)定性的HTRB和HTGB，到考驗(yàn)封裝熱機(jī)械耐久性的TC和IOL，再到檢驗(yàn)封裝環(huán)境防護(hù)能力的H3TRB和AC，每一個(gè)試驗(yàn)都針對特定的潛在失效機(jī)制，共同構(gòu)筑了一道嚴(yán)密的質(zhì)量防線。

最終，一個(gè)能夠成功通過這一整套嚴(yán)苛考驗(yàn)的SiC MOSFET產(chǎn)品，不僅證明了其自身的穩(wěn)健性，也為電力電子工程師提供了將其應(yīng)用于下一代高效、高功率密度系統(tǒng)的信心。對這些試驗(yàn)方法及其背后深層物理意義的透徹理解，是釋放SiC技術(shù)全部潛能、推動整個(gè)電力電子行業(yè)向前發(fā)展的基石。

審核編輯 黃宇