SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和质量要求

2023-05-29 10:51:16 互联网

Innoscience 和其他公司已经超越了标准的可靠性和生产测试来强调部件失效，推断出可以估计 1 ppm 故障率寿命的寿命曲线。动态导通电阻 (R DS(on) ) 作为 GaN 在开关应用中可能的故障模式而被广泛讨论，并且可以被视为材料缺陷的征兆。Innoscience通过多项工艺改进解决了这个问题。控制 e-mode HEMT 栅极中的镁掺杂分布以及 Innoscience 的应变增强层 (SEL) 技术的使用显着改善了动态 R DS(on) 行为，在整个电压、温度范围和1,000 小时的电阻开关周期，如图 1 所示。

通过在栅极中使用 SEL 改善 GaN 动态 RDS(on)。
图 1：在栅极中使用 SEL 改善 GaN 动态 RDS(on)（：PCIM 2023 小组讨论期间的 Innoscience）

另一个备受关注的领域是 GaN HEMT 器件缺乏雪崩能力。然而，这些设备固有的高过压能力使它们可以安全使用，并具有超过正常设备工作电压的足够瞬态余量。Innoscience 现在已经在几年内出货了 1.2 亿个 GaN 部件，零退货。

英飞凌科技 SiC 副总裁 Peter Friedrichs 表示，在 SiC 器件的早期开发阶段（2011 年左右），客户发现了几个与器件稳定性相关的问题。这些是 SiC 所独有的，因此需要加以了解。设备必须在标准资格流程之外进行测试，并强调触发故障模式以导出故障模型。图 2 中的典型浴缸故障率曲线显示了这种用于测量设备磨损的稳健测试。

SiC 器件的稳健性验证。
图 2：SiC 器件的稳健性验证（：PCIM 2023 小组讨论期间的 Infineon Technologies）

设备的操作模式可以调节故障行为。一旦理解了故障模式，就可以使用它来改变硅片中通常使用的鉴定过程。例如，传统上用于硅器件鉴定的 1,000 小时压力测试是否足以用于 SiC。英飞凌还没有一个 SiC 领域失败返回。

onsemi 的技术人员 Jaume Roig Guitart 讨论了在 onsemi 完成的 SiC 制造和电气筛选。Onsemi 具有垂直制造流程的优势。这包括从晶体生长一直到器件封装的能力。因此，它可以严格控制整个流程以确保高质量的处理和在线检查，以排除任何致命缺陷、老化电气筛选和动态部件平均测试以去除异常值。客户应用程序任务概况是为此定制资格计划的关键步骤。Onsemi 是 JEDEC、ARC 和 AQG324 等质量标准制定委员会的积极参与者。

Navitas Semiconductor 收购了 GeneSiC，现在同时生产 SiC 和 GaN 功率器件。Navitas 企业营销和投资者关系副总裁 Stephen Oliver 表示，该公司在 GaN 方面的方法是将驱动器和其他传感和保护功能整体集成到 GaN 芯片本身中。这允许增加可靠性增强功能，例如在引脚上具有 2kV ESD 保护、过热和过流保护以及更受控的栅极驱动。

Navitas 已出货超过 7500 万个 GaN IC 部件，现场使用时间超过 5000 亿小时。故障率 <1 ppm。Navitas 以高速（2 MHz）测试其 GaN 产品，这对于发现和解决器件开发过程中的一些问题至关重要。硬开关与软开关等特定于应用程序的测试可能会显示出独特的故障特征。

在 SiC 方面，GeneSiC 使用沟槽辅助平面栅极工艺流程，确保可靠的栅极氧化物和具有较低传导损耗的器件。测试表明，在 150-kHz、1,200-V、7.5-kW DC/DC 转换器应用中，温度较低的器件运行温度约为 25°C。据估计，这种温差可将器件寿命提高 3 倍。该公司对其 SiC 产品进行了 100% 的雪崩测试，其示例如图 3 所示。

GeneSiC 对 SiC MOSFET 的雪崩测试波形。
图 3：GeneSiC 对 SiC MOSFET 的雪崩测试波形（：Navitas Semiconductor 在 PCIM 2023 的小组讨论中）

在讨论的问答阶段，有人问了一个关于生产可靠性筛选测试的重要性的问题。Lidow 解释说，设备中的外在缺陷通常可以通过生产过载测试来筛选出来。可以通过定期抽样和运行高度加速的压力测试来发现内在缺陷。这可以确保不会产生新的故障模式。

Guitart 表示，onsemi 已经证明 SiC 器件上的固有栅极氧化物是坚固的。事实上，沟槽硅 FET 需要超过 800 A 的栅极氧化物厚度，才能与具有 500 A 氧化物的 SiC 平面 FET 的固有栅极氧化物寿命相匹配。这在图 4 中进行了描述，该图显示了相同厚度下的失效曲线。关键是控制和避免外在缺陷，这涉及高质量的晶体生长、确保清洁的界面和控制电荷密度。

硅与 SiC 栅极氧化物失效曲线。
图 4：硅与 SiC 栅极氧化物失效曲线（：PCIM 2023 小组讨论期间的 onsemi）

另一个问题是关于工业和汽车应用之间可靠性要求的差异。Lidow 回答说，也许严格的要求可能是在太阳能逆变器应用中。在这里，凤凰城的一位客户希望获得 35 年生命周期内的可靠性数据。EPC 进行了一项研究，以研究各种压力源，从而开发故障率模型。图 5 显示了栅极氧化层电压、动态 R DS(on)和封装的热机械循环的应力源。在这种情况下，发现热机械循环是主要的故障限制因素，35 年的 12,775 次循环预计将产生 1% 的故障率。

EPC 针对各种压力源的 35 年故障率研究。
图 5：EPC 对各种压力源的 35 年故障率研究（：EPC 在 PCIM 2023 的小组讨论中）

Friedrichs 还回答说，虽然汽车 0-ppm 故障要求更严格，但他们的任务配置文件通常使用时间更短。因此，具有各种任务配置文件的工业应用程序可用于在汽车使用之前开发和改进设备。此外，系统级研究对于了解功率器件周围的生态系统及其相互作用也很重要。