專為持久耐用而設(shè)計(jì)，直面最嚴(yán)苛的環(huán)境

旨在惡劣工作條件下實(shí)現(xiàn)更優(yōu)系統(tǒng)耐久性的根本策略

Guy Moxey，Wolfspeed 工業(yè)與能源副總裁兼總經(jīng)理

Don Gajewski，Wolfspeed 可靠性及失效分析高級(jí)總監(jiān)

引言

可靠性是測量或方法的一致性?？煽啃詫?duì)我們行業(yè)的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)也不為過。然而，一個(gè)必要的、可以帶來可靠性階躍式提升的概念討論得較少：即我們 Wolfspeed 所強(qiáng)調(diào)的"耐久性"，或有些人所說的"穩(wěn)固性"。諸如電動(dòng)船舶和鐵路牽引逆變器、商用及重型車輛、可再生能源發(fā)電廠以及脈沖電源系統(tǒng)等應(yīng)用，正在不斷挑戰(zhàn)電力系統(tǒng)的運(yùn)行極限。這些應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)耐久性日益增長的需求，引發(fā)了一系列新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和性能期望。

建筑和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的原始設(shè)備制造商 (OEM) 正在推進(jìn)電氣化。盡管看似與汽車市場接近，但其電動(dòng)化設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和運(yùn)行環(huán)境卻側(cè)重點(diǎn)不同。這些設(shè)備必須在極端工況下穩(wěn)定工作：北半球收獲季，它們得承受驟降至零下 40 °C 甚至更低的嚴(yán)寒；當(dāng)春夏交替、工人重返田間時(shí)，他們必須確信——?dú)v經(jīng)風(fēng)雪洗禮的碳化硅 (SiC) 逆變器仍能“一鍵喚醒”，絕不掉鏈子。

與此同時(shí)，重型和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的牽引驅(qū)動(dòng)器比汽車行業(yè)的驅(qū)動(dòng)器承受更重、持續(xù)時(shí)間更長的負(fù)載。例如，一臺(tái)在田間耕作的拖拉機(jī)，在一個(gè)工作日內(nèi)，常規(guī)情況下可能持續(xù)以其額定功率的 80% 運(yùn)行。采礦作業(yè)中的工程機(jī)械設(shè)備通常在計(jì)劃維護(hù)期間連續(xù)運(yùn)行。在田間作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)速度通常較慢（低于 20 公里/小時(shí)），但發(fā)動(dòng)機(jī)功率通常很高且持續(xù)，環(huán)境溫度也可能很高。慢速移動(dòng)的車輛無法快速脫離自身產(chǎn)生的熱量聚集區(qū)，而適度的順風(fēng)可能阻礙其脫離該熱量聚集區(qū)。

這兩個(gè)例子是同一應(yīng)用在兩種極端運(yùn)行條件下的情況。而這僅僅是冰山一角：電動(dòng)船舶系統(tǒng)面臨高濕度環(huán)境，工業(yè)加工廠要求系統(tǒng)在腐蝕性環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，而每個(gè)高海拔應(yīng)用都需應(yīng)對(duì)宇宙輻射。電力電子行業(yè)必須認(rèn)識(shí)到這些日益提高的終端系統(tǒng)性能期望，并主動(dòng)應(yīng)對(duì)。

本白皮書探討了 Wolfspeed 如何戰(zhàn)略性地投資于技術(shù)、流程和人才，以在產(chǎn)品生命周期的每個(gè)階段創(chuàng)造出具備更高一級(jí)穩(wěn)固性的碳化硅 (SiC) 產(chǎn)品。

可靠性浴盆曲線

在深入探討耐久性之前，讓我們先了解一些可靠性的基礎(chǔ)知識(shí)?？煽啃?a target="_blank">工程師使用浴盆曲線模型 (Bathtub Curve Model) 來表征和預(yù)測器件在整個(gè)運(yùn)行壽命周期內(nèi)的失效模式（圖 1）。該統(tǒng)計(jì)表示將器件可靠性劃分為三個(gè)不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域受不同的失效機(jī)制支配，并需要特定的緩解策略。理解這些區(qū)域?qū)τ陂_發(fā)能夠滿足現(xiàn)代電氣化系統(tǒng)嚴(yán)苛要求的穩(wěn)健功率半導(dǎo)體器件至關(guān)重要。

圖 1：可靠性浴盆曲線

區(qū)域 1 涵蓋了因制造缺陷、材料雜質(zhì)或工藝波動(dòng)而未被初始篩發(fā)現(xiàn)的早期失效。此階段嚴(yán)重依賴于全面的器件認(rèn)證流程，包括加速應(yīng)力測試、老化篩選程序和統(tǒng)計(jì)過程控制措施，旨在出廠前識(shí)別并剔除薄弱器件。

區(qū)域 2 代表了運(yùn)行壽命期，其特征是由隨機(jī)事件（如宇宙輻射引起的單粒子燒毀、電過應(yīng)力條件或超出正常運(yùn)行參數(shù)的環(huán)境因素）引起的恒定低失效率。對(duì)于功率半導(dǎo)體器件，該區(qū)域的失效率通過跨越數(shù)千至數(shù)百萬器件小時(shí)的廣泛現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集，以及在國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)施中進(jìn)行的高輻射暴露下的高級(jí)測試來量化，從而能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的故障率 (FIT) 計(jì)算，這對(duì)系統(tǒng)級(jí)可靠性預(yù)測至關(guān)重要。

區(qū)域 3 涵蓋了壽命終止期的損耗失效機(jī)制，其中電氣和溫度應(yīng)力、熱循環(huán)和功率循環(huán)、鍵合線疲勞以及其他退化過程累積的損傷導(dǎo)致失效率上升。此階段主要依賴于失效物理模型、加速老化研究和平均無失效時(shí)間 (mean time to failure, MTTF) 計(jì)算，以預(yù)測特定運(yùn)行條件下的器件壽命。

與傳統(tǒng)的硅 (Si) 技術(shù)相比，現(xiàn)代碳化硅 (SiC) 功率器件面臨著獨(dú)特的可靠性挑戰(zhàn)。碳化硅 (SiC) 的寬禁帶特性在實(shí)現(xiàn)卓越的高溫和高壓性能的同時(shí)，也引入了特定的失效機(jī)制，如閾值電壓不穩(wěn)定性、柵氧可靠性問題、雙極穩(wěn)定性和宇宙射線敏感性，這些問題必須通過先進(jìn)的器件設(shè)計(jì)和認(rèn)證方法來解決。

實(shí)現(xiàn)早期器件失效最小化

由于碳化硅 (SiC) 具有更寬的禁帶、更高的擊穿電壓、卓越的熱導(dǎo)率和穩(wěn)固的晶體結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出優(yōu)于硅的耐久性。這些固有特性使得碳化硅 (SiC) 器件能夠在更高的溫度、電壓和頻率下運(yùn)行，同時(shí)在惡劣環(huán)境中保持可靠性。經(jīng)過多年在寬禁帶材料方面的深入研究，Wolfspeed 的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)深信將碳化硅 (SiC) 商業(yè)化至關(guān)重要，以便高功率系統(tǒng)能夠受益于碳化硅 (SiC) 三倍寬的禁帶和十倍高的介電擊穿場強(qiáng)。Wolfspeed 于 2011 年推出了業(yè)界首款碳化硅 (SiC) MOSFET，并自此一直努力引領(lǐng)向碳化硅 (SiC) 的轉(zhuǎn)型。

如今，Wolfspeed 是一家純碳化硅 (SiC) 器件和材料制造商。垂直整合使 Wolfspeed 能夠全面掌控材料和器件層面的創(chuàng)新，從而更好地控制質(zhì)量、成本和創(chuàng)新速度。這種集成方法使得能夠針對(duì)特定應(yīng)用精確定制碳化硅 (SiC) 晶體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)材料與器件研發(fā)團(tuán)隊(duì)之間更好的協(xié)同，并建立從器件制造工廠到材料制造工廠的持續(xù)快速反饋循環(huán)，以優(yōu)化流程并最大化產(chǎn)品性能。

最新發(fā)布的200mm 裸晶圓和外延片是質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的絕佳范例。與當(dāng)前 150mm 碳化硅 (SiC) 晶圓相比，改進(jìn)的 200mm 碳化硅 (SiC) 晶體生長工藝使得 200mm 晶圓具有更低的微管密度 (micropipe densities, MPDs)、螺位錯(cuò) (threading screw dislocations, TSDs) 、基平面位錯(cuò) (basal plane dislocations, BPDs) 和總蝕刻坑密度 (etch pit densities, EPDs)。改進(jìn)的 200mm 設(shè)備能力帶來的整體工藝改進(jìn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好的晶圓形狀、更低的殘余應(yīng)力和改善的表面參數(shù)。重要的是，從 200mm 晶圓獲得的經(jīng)驗(yàn)也正向反饋至 150mm 碳化硅 (SiC) 晶圓的持續(xù)改進(jìn)。

關(guān)于200mm 裸晶圓和外延片更多詳細(xì)信息，https://www.wolfspeed.com/products/materials/

從晶體生長到成品器件的全面端到端控制，轉(zhuǎn)化為更好的性能、更快的產(chǎn)品推向市場時(shí)間以及對(duì)供應(yīng)安全性的更好地掌控。

圖 2：200mm 裸晶圓的交叉偏振圖像

柵氧擊穿

碳化硅 (SiC) MOSFET 具有嚴(yán)苛的可靠性要求：高阻斷電壓要求高電場可靠性，而高柵氧電場則需要高柵氧可靠性。高開關(guān)頻率需要高閾值電壓 (threshold voltage, VGS(th)) 穩(wěn)定性，第三象限操作需要高體二極管性能，最后，高海拔應(yīng)用還需要具備強(qiáng)抗中子輻射能力。碳化硅 (SiC) MOSFET 包含若干顯著特性，當(dāng)這些特性被優(yōu)化時(shí)，可提供高質(zhì)量和高可靠性。

碳化硅 (SiC) 器件的應(yīng)力因素包括阻斷電壓、柵極電壓、溫度、濕度和輻射。相對(duì)于硅基器件，由于施加了更高的電場，碳化硅 (SiC) MOSFET 隨著時(shí)間的推移可能會(huì)出現(xiàn)柵氧損耗和閾值電壓升高的現(xiàn)象。圖 3 顯示了碳化硅器件中常見的失效機(jī)制。Wolfspeed 采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及新穎的、定制化的可靠性測試來確保 MOSFET 的可靠運(yùn)行。

例如，廣泛的可靠性測試和壽命預(yù)測表明，Wolfspeed 的 MOSFET 在 175°C 下的柵氧中位壽命超過 10,000 年。

圖 3：潛在的阻斷電壓失效機(jī)制：

金屬間電介質(zhì)泄漏、邊緣終端失效和柵氧擊穿

考慮到這些常見的失效機(jī)制，Wolfspeed 利用成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試，確保碳化硅 (SiC) 器件在發(fā)布前具有最高的質(zhì)量和可靠性（表1）。這包括采用大樣本量（從不同批次中抽樣）進(jìn)行的認(rèn)證測試，以確保在高統(tǒng)計(jì)置信度下的低失效率。

Wolfspeed 借鑒了圍繞硅 (Si) 技術(shù)建立的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (JEDEC) 和車規(guī)標(biāo)準(zhǔn) (AEC-Q101)。AEC 標(biāo)準(zhǔn)要求更嚴(yán)格的器件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，包括參數(shù)漂移；要滿足這些標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行嚴(yán)格的電氣和光學(xué)篩選。包括 JEDEC、IEC、AEC 和 JEITA 在內(nèi)的主要行業(yè)聯(lián)盟都在積極制定針對(duì)碳化硅 (SiC) 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和客戶需求。Wolfspeed 全面參與此過程，與各分委會(huì)和工作組合作，致力于碳化硅 (SiC) 可靠性和認(rèn)證測試。

表 1：典型的汽車碳化硅 (SiC) 分立器件認(rèn)證計(jì)劃

諸如船舶逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用需要在高溫環(huán)境下生存，僅靠標(biāo)準(zhǔn)的 H3TRB 認(rèn)證已無法滿足要求。建議使用通過更嚴(yán)苛的 HV-H3TRB 認(rèn)證的電子元件。HV-H3TRB 測試代表了對(duì)半導(dǎo)體功率器件最嚴(yán)格的可靠性認(rèn)證測試之一，它同時(shí)使元件承受最大反向偏壓、高濕度水平（通常為 85% RH）和高溫（85°C 或更高）數(shù)百至數(shù)千小時(shí)。這種加速環(huán)境應(yīng)力測試在壓縮的時(shí)間范圍內(nèi)模擬了最嚴(yán)酷的真實(shí)世界運(yùn)行條件，驗(yàn)證了器件在嚴(yán)苛條件應(yīng)用（如汽車動(dòng)力總成、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和戶外電源系統(tǒng)）中遇到的電氣、熱和環(huán)境綜合應(yīng)力下的耐受能力。作為高濕度應(yīng)用的關(guān)鍵要求，成功的 HV-H3TRB 測試（零失效且參數(shù)退化不超過規(guī)格）證明了半導(dǎo)體器件即使暴露在通常會(huì)加速失效機(jī)制（如腐蝕、電遷移和介電擊穿）的極端條件下，也能在其整個(gè)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)保持可靠運(yùn)行。Wolfspeed 提供 2 個(gè)系列經(jīng)過 HV-H3TRB 認(rèn)證的、采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝的功率模塊：62mm 封裝的 1200V 和 1700V 半橋模塊 (BM)，以及采用半橋、全橋、T型和六管集成配置的1200V 和 2300V Wolfspeed WolfPACK 模塊。

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實(shí)現(xiàn)使用壽命最大化

已認(rèn)證的碳化硅 (SiC) 器件中的隨機(jī)失效機(jī)制主要?dú)w因于宇宙輻射引起的單粒子燒毀，這對(duì)于高海拔應(yīng)用（如山區(qū)風(fēng)電場或航空航天系統(tǒng)）尤為重要。雖然碳化硅 (SiC) 器件由于其更小的芯片尺寸和更低的中子相互作用面積，天生比硅 (Si) 器件具有更高的宇宙射線耐受性，而 Wolfspeed 在其第四代 (Gen 4) MOSFET 技術(shù)中更是有針對(duì)性專門解決了這一挑戰(zhàn)。 YM4 系列代表了功率模塊技術(shù)的重大進(jìn)步，它在 1200V 六管集成碳化硅 (SiC) 模塊配置中 (YM 平臺(tái)) 利用了第四代 (Gen 4) MOSFET 技術(shù)。增強(qiáng)的器件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的柵氧設(shè)計(jì)提供了相比前幾代高達(dá) 100 倍的失效率改進(jìn)，有效抑制了宇宙輻射引起的失效。這一顯著增強(qiáng)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⑦@些模塊部署在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，例如汽車動(dòng)力總成、航空航天系統(tǒng)以及在高原或近空間環(huán)境中運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備，同時(shí)無需過度電壓降額，實(shí)現(xiàn)了更高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，它們能夠承受過載和過應(yīng)力條件，Wolfspeed 篩選裸芯片組合認(rèn)證可在 185°C 下連續(xù)運(yùn)行，并在 200°C 下滿足有限壽命運(yùn)行認(rèn)證。

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圖 4：1200V 第四代 (Gen 4) 器件比之前代產(chǎn)品，

在宇宙射線抗擾度方面提升了 100 倍

除了宇宙射線耐受性之外，YM4 平臺(tái)的第四代 (Gen 4) MOSFET 技術(shù)顯著降低了開關(guān)過程中的 VDS過沖，解決了歷史上制約系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。電壓過沖減小后，工程師能夠在不影響可靠性或增加 FIT 率的情況下，使系統(tǒng)在更接近器件額定電壓極限的條件下運(yùn)行，從而有效擴(kuò)大了可用工作范圍。這一特性使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有更高功率密度和更高效率的更激進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師可以放心地提高開關(guān)頻率和功率水平，而無需為容納電壓尖峰預(yù)留傳統(tǒng)的大幅安全裕量?？褂钪嫔渚€能力與過沖抑制的雙重提升，從根本上改變了高性能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性方程，使 OEM 能夠在保持任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用所要求的嚴(yán)格可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)以往無法達(dá)到的系統(tǒng)性能水平。

短路耐受時(shí)間，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)和牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，確保在故障發(fā)生時(shí)安全關(guān)斷?；诘谒拇?(Gen 4) 技術(shù)的車規(guī)級(jí)裸芯片 EM4E120-025D100可以耐受高達(dá) 2.3 微秒的短路能量，與現(xiàn)有的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)兼容，且不犧牲 RDS(on) 性能。這擴(kuò)展了安全工作區(qū)，確保了穩(wěn)健的性能，并使設(shè)計(jì)工程師能夠減少半導(dǎo)體用量，在不影響安全性的前提下降低成本。

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在高漏源電壓條件下穩(wěn)定的閾值電壓特性對(duì)于保持碳化硅 (SiC) 功率器件可預(yù)測的開關(guān)行為和降低功率損耗至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的硅 (Si) MOSFET 由于漏致勢壘降低 (drain-induced barrier lowering, DIBL) 效應(yīng)而隨著漏源電壓增加表現(xiàn)出顯著的閾值電壓漂移不同，我們的 MOSFET 在其整個(gè)電壓工作范圍內(nèi)保持一致的柵極控制。這種閾值電壓穩(wěn)定性確保了開關(guān)時(shí)序無論施加的漏源電壓如何都保持可預(yù)測，從而能夠精確控制對(duì)高頻開關(guān)應(yīng)用至關(guān)重要的開通和關(guān)斷瞬態(tài)。

此外，穩(wěn)定的閾值電壓防止了在高電壓阻斷狀態(tài)下不希望的器件被誤觸發(fā)，顯著降低了漏電流，從而避免額外的功率損耗與熱應(yīng)力。這一特性在諸如汽車動(dòng)力總成和可再生能源系統(tǒng)等應(yīng)用中尤其有價(jià)值，這些應(yīng)用中的器件必須可靠地阻斷高電壓，同時(shí)在不同負(fù)載條件和運(yùn)行電壓下保持低待機(jī)損耗和一致的開關(guān)性能。

抑制固有磨損失效

阻斷電壓和柵極電壓長期磨損失效

通過對(duì)碳化硅 (SiC) 器件進(jìn)行可靠性測試并運(yùn)用各種壽命預(yù)測模型，可以揭示器件老化過程中的典型失效機(jī)理。Wolfspeed采用業(yè)內(nèi)通用的本征磨損失效測試方法：在盡可能惡劣的條件下，將器件持續(xù)推至遠(yuǎn)高于其最大額定電壓或電流的應(yīng)力狀態(tài)。在圖 5 中，一個(gè)額定 1200V 的 Wolfspeed MOSFET 被加壓至 1600V，并基于此應(yīng)力獲得了預(yù)測的運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

需要注意的是，額定 1200V 的硅 (Si) 器件通常在大約 1250V 時(shí)性能就開始急劇下降；然而碳化硅 (SiC) 器件通常在其電壓額定值方面具有更大的裕量。通常，一個(gè)額定 1200V 的碳化硅 (SiC) MOSFET 工作在 700V 至 800V 的母線上——在這種情況下，理論上具有超過 3 億小時(shí)的安全運(yùn)行時(shí)間才會(huì)因阻斷電壓相關(guān)的失效機(jī)制而失效。完全相同的過程也適用于柵極電壓，采用 TDDB （經(jīng)時(shí)介電擊穿）方法測試進(jìn)行分析。

TDDB（經(jīng)時(shí)介電擊穿）法是評(píng)估功率器件平均失效時(shí)間 (MTTF) 的另一種手段。該方法將一批 MOSFET 置于加速偏壓和高溫環(huán)境中，持續(xù)施加恒定電場；統(tǒng)計(jì)各器件的失效時(shí)間后，用 Weibull 分布擬合失效數(shù)據(jù)，從而外推壽命。圖 5 中，一顆標(biāo)稱柵壓 15V 的器件被加壓至 35V 以上，由此得出在額定柵壓下失效概率為 5000 萬小時(shí)。對(duì)于第三代 (Gen 3) 650V Wolfspeed MOSFET，在 15V 連續(xù)柵極偏壓下的 MTTF 為 7000 萬小時(shí)，顯示出與 1200V 和 1700V MOSFET 幾乎相同的柵極可靠性。

圖 5：器件在不同漏極電壓（左圖）與柵極電壓（右圖）下

預(yù)測的現(xiàn)場工作小時(shí)數(shù)。

中間圖形顯示，雪崩擊穿和柵氧磨損失效對(duì)應(yīng)的

漏極偏壓區(qū)遠(yuǎn)高于 1200V 額定值。

功率循環(huán)是一種標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測試，用于評(píng)估在模擬真實(shí)世界開關(guān)環(huán)境的條件下的半導(dǎo)體封裝。這對(duì)于碳化硅 (SiC) 器件尤其關(guān)鍵，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的硅 (Si) 器件相比，碳化硅 (SiC) 器件在更高的功率密度和更高的溫度下運(yùn)行。

功率循環(huán)與封裝可靠性

盡管人們投入大量精力確保碳化硅 (SiC) 裸芯片穩(wěn)定工作，但功率/熱循環(huán)能力與封裝魯棒性仍是決定硅 (Si) 和碳化硅 (SiC) 技術(shù)實(shí)際壽命的關(guān)鍵瓶頸。通常，功率封裝是最薄弱環(huán)節(jié)，尤其在高溫下失效更具本征性（如鍵合線、芯片粘接剝離）。第四代 (Gen 4) 碳化硅 (SiC) 功率模塊系列代表了功率電子可靠性和熱管理方面的重大進(jìn)步。

YM4 六管集成碳化硅 (SiC) 模塊展示了卓越的耐久性，在工作溫度下提供的功率循環(huán)次數(shù)是競品碳化硅解決方案的三倍（見圖 6）。從而顯著延長工業(yè)嚴(yán)苛應(yīng)用中的使用壽命并降低維護(hù)需求。

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TM4 1200V 車規(guī)級(jí)塑封模塊通過創(chuàng)新的封裝技術(shù)展示了卓越的熱工程設(shè)計(jì)。通過實(shí)施銅帶鍵合，結(jié)合銀燒結(jié)封裝，這些模塊實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 8% 的熱性能改進(jìn)，同時(shí)增強(qiáng)了功率循環(huán)能力。

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銅帶鍵合技術(shù)消除了傳統(tǒng)的鍵合線，降低了熱阻并改善了芯片上的電流分布。這種先進(jìn)封裝技術(shù)的結(jié)合滿足了汽車對(duì)熱管理和長期可靠性的嚴(yán)苛要求。

Wolfspeed WolfPACK 系列則引入氮化鋁 (AlN) 基板作為關(guān)鍵熱管理創(chuàng)新。AlN 的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)基板材料，可將熱阻 RTH降低 50%，直接帶來功率密度提升和高溫工況下的可靠性增益。憑借 AlN 的優(yōu)異導(dǎo)熱與機(jī)械強(qiáng)度，WolfPACK 模塊在承受熱循環(huán)應(yīng)力的同時(shí)保持結(jié)溫最優(yōu)。

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圖 6：YM4 壽命可靠性分析

上述先進(jìn)封裝再疊加第四代 (Gen 4) MOSFET 技術(shù)，使碳化硅 (SiC) 模塊成為工業(yè)與汽車領(lǐng)域?qū)Ω邿嵝阅?、長壽命、強(qiáng)功率循環(huán)需求的最佳選擇。

性能期望不斷演進(jìn)的另一個(gè)例子來自一家領(lǐng)先的電源制造商，該公司遇到了由人工智能 (AI) 快速部署和擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)的重大基礎(chǔ)設(shè)施挑戰(zhàn)。計(jì)算需求的加速增長使得必須全面重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心布局，包括戰(zhàn)略性地重新安置不間斷電源 (UPS) 系統(tǒng)以適應(yīng)增加的服務(wù)器密度。這種基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化帶來了新的環(huán)境考慮因素，特別是關(guān)于在硫濃度較高區(qū)域放置組件。在設(shè)施重新配置期間可能暴露于含硫環(huán)境，促使了對(duì)在這些特定條件下組件可靠性的評(píng)估。此應(yīng)用場景展示了環(huán)境認(rèn)證測試的重要性，確保功率電子在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心設(shè)施內(nèi)的各種安裝環(huán)境中保持性能完整性。

1200V Wolfspeed WolfPACK 系列，包括諸如CAB006A12GM3等模塊，已成功完成了在含有硫化氫的高硫環(huán)境中運(yùn)行的嚴(yán)格認(rèn)證測試。此認(rèn)證證明了該系列模塊能夠承受可能降解電子元件并損害系統(tǒng)可靠性的腐蝕性硫化合物。WolfPACK 系列穩(wěn)固的封裝和材料工程提供了對(duì)硫誘導(dǎo)腐蝕的優(yōu)異抵抗力，使這些模塊成為具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)應(yīng)用的理想選擇，包括石油和天然氣加工、地?zé)岚l(fā)電以及化學(xué)制造設(shè)施。這種 H2S 認(rèn)證擴(kuò)展了在惡劣環(huán)境中的部署機(jī)會(huì)，在這些環(huán)境中，傳統(tǒng)的功率電子會(huì)經(jīng)歷加速退化，從而確保了在富硫大氣中長期可靠運(yùn)行。

關(guān)于 CAB006A12GM3 模塊更多詳細(xì)信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/cab006a12gm3/

Wolfspeed 的可靠性浴盆曲線計(jì)算器

為了生成碳化硅 (SiC) 器件使用壽命期和壽命終止期區(qū)域的預(yù)測，Wolfspeed 開發(fā)了一個(gè)浴盆曲線計(jì)算器，該計(jì)算器使用工況作為輸入。浴盆曲線計(jì)算器本質(zhì)上是基于諸如單粒子燒毀以及因柵極或阻斷電壓導(dǎo)致的柵氧損耗等失效機(jī)制的失效率貢獻(xiàn)，對(duì)器件在現(xiàn)場隨時(shí)間變化的失效率進(jìn)行預(yù)測。圖 7 顯示了一個(gè)基于典型應(yīng)用工況輸入的失效率預(yù)測示例，該輸入包含了在特定柵極電壓、阻斷電壓、溫度和海拔條件下的運(yùn)行小時(shí)數(shù)匯總。借助此可靠性預(yù)測工具，Wolfspeed 可以為客戶提供關(guān)于其目標(biāo)應(yīng)用條件下碳化硅 (SiC) 器件預(yù)期可靠性的寶貴信息。

圖 7：Wolfspeed 碳化硅 (SiC) 浴盆曲線計(jì)算器

結(jié)論

從可靠性到穩(wěn)固性的演變代表了 Wolfspeed 技術(shù)理念的根本轉(zhuǎn)變，這是由新興電氣化應(yīng)用的極端運(yùn)行需求所驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)工程設(shè)備承受北極的嚴(yán)冬、農(nóng)業(yè)機(jī)械在具有挑戰(zhàn)性的惡劣熱環(huán)境中持續(xù)高功率運(yùn)行、以及船舶系統(tǒng)面臨持續(xù)潮濕暴露時(shí)，單單傳統(tǒng)的可靠性指標(biāo)已不足以保證系統(tǒng)性能。

Wolfspeed 在先進(jìn)技術(shù)、嚴(yán)格認(rèn)證流程和全面穩(wěn)固性測試方面的戰(zhàn)略投資，直面了這些不斷升級(jí)的性能期望。通過開發(fā)能夠承受從 -40°C到 185°C 持續(xù)運(yùn)行和 200°C 有限運(yùn)行的溫度極限、持續(xù)高功率負(fù)載以及惡劣環(huán)境條件的碳化硅 (SiC) 解決方案，我們有效助力 OEM 能夠完全放心地實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)苛應(yīng)用的電氣化。

電氣化重型設(shè)備、農(nóng)業(yè)和船舶系統(tǒng)的電氣化不僅僅是汽車電氣化的延伸——它需要一種新的半導(dǎo)體穩(wěn)固性范式。通過我們涵蓋材料科學(xué)、器件設(shè)計(jì)和認(rèn)證方法學(xué)的端到端方法，Wolfspeed 提供的碳化硅 (SiC) 功率器件不僅滿足規(guī)格，更在“不容失效”的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中超越耐久性期望。

隨著各行業(yè)繼續(xù)將電氣化的邊界推向日益嚴(yán)峻的環(huán)境，可靠與穩(wěn)固之間的區(qū)別成為了系統(tǒng)僅僅能夠運(yùn)行與系統(tǒng)能夠持久耐用之間的分水嶺。Wolfspeed 對(duì)耐久性的承諾確保了當(dāng)操作人員在嚴(yán)冬過后重返田間時(shí)，或者當(dāng)采礦設(shè)備面臨連續(xù)運(yùn)行周期時(shí)，他們基于碳化硅 (SiC) 的電源系統(tǒng)已準(zhǔn)備好投入運(yùn)行——季復(fù)一季，一班接一班。

關(guān)于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼：WOLF）在全球范圍內(nèi)推動(dòng)碳化硅技術(shù)采用方面處于市場領(lǐng)先地位，這些碳化硅技術(shù)為全球最具顛覆性的創(chuàng)新成果提供了動(dòng)力支持。作為碳化硅領(lǐng)域的引領(lǐng)者和全球最先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新者，我們致力于為人人享有的美好世界賦能。Wolfspeed 通過面向各種應(yīng)用的碳化硅材料、功率模塊、分立功率器件和功率裸芯片產(chǎn)品，助您實(shí)現(xiàn)夢想，成就非凡(The Power to Make It Real)。