摘要：瞻芯電子(IVCT)基于經(jīng)典壽命模型，對大樣本量的第二代(G2)650V SiC MOSFET 進(jìn)行了魯棒性驗(yàn)證試驗(yàn)(Robustness-Validation)。該試驗(yàn)嚴(yán)格遵循AEC-Q101、ZVEI標(biāo)準(zhǔn)，開展了HTRB、HTGB+、HV-H3TRB 及 IOL 等關(guān)鍵項(xiàng)目測試，并引入了經(jīng)典的 Arrhenius、Hallberg-Peck、Coffin-Manson及Eyring等可靠性物理模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

本試驗(yàn)共對2156顆SiC MOSFET樣本進(jìn)行長達(dá)3500小時的極限應(yīng)力測試，經(jīng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：在典型應(yīng)用條件下，器件預(yù)測壽命可達(dá)數(shù)百年，遠(yuǎn)超瞻芯電子對車規(guī)級產(chǎn)品加嚴(yán)設(shè)定的18年壽命標(biāo)準(zhǔn)，凸顯了產(chǎn)品卓越的可靠性。

1. 引言與驗(yàn)證目標(biāo)

碳化硅(SiC)功率器件在提升系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率與功率密度方面優(yōu)勢顯著，但其可靠性始終是高端應(yīng)用的核心關(guān)切點(diǎn)。為定量評估并證實(shí)產(chǎn)品的長期可靠性，瞻芯電子啟動了本次超越常規(guī)的魯棒性試驗(yàn)。本項(xiàng)目旨在達(dá)成以下目標(biāo)：

驗(yàn)證器件在最低18年工作壽命周期內(nèi)的可靠性(嚴(yán)于AEC-Q101的15年標(biāo)準(zhǔn))。

秉承Test-to-failure宗旨，探究產(chǎn)品的失效邊界與本征失效機(jī)制。

建立關(guān)鍵參數(shù)的安全操作區(qū)(SOA)，為客戶設(shè)計(jì)提供有效的數(shù)據(jù)支持。

2. 試驗(yàn)方法論與策劃

2.1 可靠性模型與測試項(xiàng)目選擇

試驗(yàn)基于AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，選取HTRB、HTGB+、HV-H3TRB及IOL四項(xiàng)加速壽命測試項(xiàng)目，并采用Arrhenius、Eyring、Hallberg-Peck及Coffin-Manson等物理模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。所有2156顆樣本均從在線量產(chǎn)的G2 650V SiC MOSFET產(chǎn)品中隨機(jī)抽取，確保樣本的代表性。測試結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

3. 試驗(yàn)結(jié)果與深入分析

3.1 整體可靠性壽命分布：浴盆曲線

浴盆曲線是描述產(chǎn)品生命周期內(nèi)故障率變化規(guī)律的曲線，分為早期故障期(磨合期)、隨機(jī)故障期(穩(wěn)定期)、磨損故障期(衰老期)三個階段。 在分析各組測試項(xiàng)目3500小時的失效數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，樣品經(jīng)不同測試后的故障表現(xiàn)差異顯著，表明各組樣品分別處于不同生命周期階段，在浴盆曲線上標(biāo)注示意如下：

圖1 浴盆曲線—各組測試樣品處在不同壽命階段

本次試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

HV-H3TRB：樣品隨機(jī)故障期超過3500小時，凸顯了產(chǎn)品卓越的抗?jié)裥浴?/p>

HTRB/HTGB+：樣品在3000小時進(jìn)入隨機(jī)故障臨界期，并于3000-3500小時步入磨損故障期。

IOL：樣品在3500小時遠(yuǎn)遠(yuǎn)未進(jìn)入磨損故障期，證明了產(chǎn)品封裝互連的極高可靠性。

綜上所述，結(jié)合圖示分析可知，IOL測試的可靠性表現(xiàn)最佳，HV-H3TRB表現(xiàn)次之，HTRB和HTGB+在浴盆曲線上進(jìn)入耗損期較早，但在實(shí)際應(yīng)用條件下仍表現(xiàn)優(yōu)異，預(yù)測壽命遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 HV-H3TRB測試結(jié)果與分析

測試條件：T=85°C, RH=85%, VDS=520V。

漏電流穩(wěn)定性：在2500小時應(yīng)力施加前后，器件漏電流增長不超過1μA，且未觸發(fā)任何失效判據(jù)，未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性退化機(jī)制。

圖2 施加應(yīng)力之前和之后的漏電流

圖3 施加應(yīng)力之前和之后的漏電流倍數(shù)

上圖2顯示的是施加應(yīng)力之前和之后，漏電流的增長不超過1uA。上圖3顯示的是施加應(yīng)力之前和之后的漏電流倍數(shù)。漏電流的增長不超過每個節(jié)點(diǎn)設(shè)定的失效判定標(biāo)準(zhǔn)，甚至經(jīng)過3500小時測試后漏電流增加未超過5倍。沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的EOL機(jī)制。

安全操作區(qū)(SOA)分析：下面的等高線圖定義了不同溫濕度條件下的產(chǎn)品壽命邊界。如圖所示，基于Hallberg-Peck與Eyring模型推算，在典型條件(65°C, 75% RH，650V)下，推算壽命高達(dá) 869 年，遠(yuǎn)離紅色區(qū)域所代表的18 年安全界限。

圖4 HV-H3TRB SOA分析

計(jì)算過程：

Hallberg-Peck模型和Eyring模型：

由試驗(yàn)獲知,首次失效時間t=3479hrs, Tt=85°C, RHt=85%, Vstress=520V, ss=10 lots*77ea, 則可以預(yù)測在Ea= 0.9ev、90%置信區(qū)間下，濕度加速率常數(shù)p=3、 電壓加速率常數(shù)β=1 時的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu= 85°C, RHu=85%, Vnormal=650V 的測試試驗(yàn)條件下：

AF= AFt*AFv =0.8

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=1074 FITS

MTTF=1/λ=1e9/1074=930721 hours=106 years

在Tu=65°C, RHu=75%, Vnormal=650V的典型應(yīng)用條件下：

AF= AFt*AFv =6.54

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=131 FITS

MTTF=1/λ=1e9/131=7613547 hours=869 years

3.3 HTRB測試結(jié)果與分析

測試條件：T=175°C, VDS=650V。

3500小時延長測試：首次失效時間T實(shí)際=2895 小時，HTRB 測試雖在浴盆曲線中較早進(jìn)入耗損期，但在實(shí)際應(yīng)用場景下，其推算壽命仍遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)目標(biāo)。批量失效時間T63實(shí)際=3287小時 (T63為特征壽命，表明63.2%的樣本在該時間內(nèi)失效)，顯著優(yōu)于2000 小時的目標(biāo)?？煽啃愿倪M(jìn)因子 RIF=4.59，證明設(shè)計(jì)裕量充足 。

量化評估魯棒性：采用魯棒性指標(biāo)(RIF)公式= [ln (TTF_實(shí)際) - ln (TTF_目標(biāo))] / 3σ，來計(jì)算實(shí)際值相對于目標(biāo)值的提升幅度。若RIF<1達(dá)不到目標(biāo)要求;若RIF=1則剛符合目標(biāo);若數(shù)值更高，表明魯棒性更好。本測試可靠性改進(jìn)因子RIF= 4.59，證明產(chǎn)品魯棒性設(shè)計(jì)裕量充足。

圖5 HTRB β 和RIF 計(jì)算

weibull分析：常用于描述器件壽命分布的統(tǒng)計(jì)模型，通過形狀參數(shù)β 可判斷失效類型(早期失效、隨機(jī)失效、磨損失效)。形狀參數(shù)(斜率)β=1，表明初期的失效屬于隨機(jī)失效。在剔除這些隨機(jī)失效樣本后，計(jì)算得到的形狀參數(shù)β=26.85，遠(yuǎn)大于1，這表明剩余產(chǎn)品已進(jìn)入穩(wěn)定的本征耗損期。

圖6 斜率參數(shù) β ，失效類型和weibull斜率參數(shù) β

SOA分析：基于Arrhenius與Eyring模型推算在典型應(yīng)用條件(139°C, 470V)下，推算壽命達(dá) 447 年。

圖7 HTRB SOA分析

計(jì)算過程：

Arrhenius模型和Eyring模型：

由試驗(yàn)獲知，首次失效時間Tt=2895hrs, Vstress=650V, ss=6 lots*77ea，則可以預(yù)測在 Ea=0.7eV、kB= 8.62E-05 eV/K、90%置信區(qū)間下、電壓加速率常數(shù)β=1 時的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu=175℃, Vnormal=650V 測試試驗(yàn)條件下：

AF=AFt*AFv=1

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=1722 FITS

MTBF=1/λ=1e9/1722=580865 hours=66 years

在Tu= 139°C, Vnormal=470V 典型應(yīng)用條件下：

AF=AFt*AFv=6.74

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=255 FITS

MTBF=1/λ=1e9/255=3917122 hours=447 years

3.4 HTGB+與IOL測試結(jié)果

HTGB+：測試條件為T=175°C, VGS=18V。首次失效時間 Tfailure=2766 小時，批量失效時間T63failure=3332小時，明顯優(yōu)于2000 小時的目標(biāo)?？煽啃愿倪M(jìn)因子 RIF=2.68，證明設(shè)計(jì)裕量充足。

在典型條件(142°C, 18V)下，壽命為 268 年。延長測試同樣顯示其失效模式由隨機(jī)失效過渡至本征耗損。

圖8 HTGB+ SOA分析

計(jì)算過程：

Arrhenius模型和Eyring模型：

由試驗(yàn)獲知，首次失效時間Tt=2766hrs, Vstress= 18V, ss=6 lots*77ea，則可以預(yù)測在 Ea=0.7eV、kB= 8.62E-05 eV/K、90%置信區(qū)間下、電壓加速率常數(shù)β=1 時的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu=175℃, Vnormal=18V 測試試驗(yàn)條件下：

AF=AFt*AFv=1

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=1802 FITS

MTBF=1/λ=1e9/1802=554981 hours=63 years

在Tu=142℃, Vnormal=18V 典型應(yīng)用條件下：

AF=AFt*AFv=4.23

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=426 FITS

MTBF=1/λ=1e9/426=2346691 hours=268 years

IOL：測試條件：?Tj=100°C, 5min on/off。此次試驗(yàn)3500h未出現(xiàn)一例失效，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于 2000 小時的目標(biāo)。在典型條件(?Tt=56°C)下，壽命為342年，展現(xiàn)了優(yōu)異的抗熱疲勞性能。

圖9 IOL SOA分析

Coffin Manson模型：

由試驗(yàn)得知，3500hrs測試未失效, △Tt>100℃，ss=3 lots*77ea，則可以預(yù)測在IOL加速率常數(shù)m=2.5, 90%置信區(qū)間下的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在△Tj>100℃測試試驗(yàn)條件下：

AF=1

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=1424 FITS

MTBF=1/λ=1e9/1424=702254 hours=80 years

在△Tu>56℃ 典型應(yīng)用條件下：

AF=4.26

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=334 FITS

MTBF=1/λ=1e9/1424=2992432 hours=342 years

4. 綜合結(jié)論

本次魯棒性試驗(yàn)基于大規(guī)模樣本與長周期測試，提供了令人信服的數(shù)據(jù)結(jié)論：

1.壽命遠(yuǎn)超目標(biāo)：在所有關(guān)鍵可靠性測試中，瞻芯電子G2 650V SiC MOSFET在典型應(yīng)用條件下的推算壽命均數(shù)倍于18年的安全目標(biāo)，普遍達(dá)到數(shù)百年。

2.卓越的濕度可靠性：即使在最嚴(yán)苛的HV-H3TRB(雙85)條件下，器件也未出現(xiàn)明顯的性能退化，驗(yàn)證了產(chǎn)品的成熟與穩(wěn)定。

3.高置信度統(tǒng)計(jì)：基于2156顆芯片樣本的大規(guī)模測試，未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性或共性的壽命終止機(jī)制。產(chǎn)品失效模式符合預(yù)期，具備極高的可靠性邊際。

綜上所述，瞻芯電子G2 650V SiC MOSFET通過了極為嚴(yán)苛的可靠性驗(yàn)證，其卓越的魯棒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)為電動汽車、工業(yè)控制等要求零失效的高端應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

關(guān)于瞻芯電子

上海瞻芯電子科技股份有限公司(簡稱“瞻芯電子”)是一家聚焦于碳化硅(SiC)半導(dǎo)體領(lǐng)域的高科技芯片公司，2017年成立于上海臨港。公司致力于開發(fā)碳化硅功率器件和模塊、驅(qū)動和控制芯片產(chǎn)品，并圍繞碳化硅(SiC)應(yīng)用，為客戶提供一站式解決方案。

瞻芯電子是中國第一家自主開發(fā)并掌握6英寸碳化硅(SiC)MOSFET產(chǎn)品以及工藝平臺的公司，擁有一座車規(guī)級碳化硅(SiC)晶圓廠，標(biāo)志著瞻芯電子進(jìn)入中國領(lǐng)先碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體IDM公司行列。

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