新型功率器件的老化特性：HTOL高温工况老化测试
随着技术的不断进步，新型功率器件如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）因其优异的性能被广泛应用于各种电子设备中。然而，这些器件在长期连续使用后会出现老化现象，导致性能退化。如何在短时间内准确评估这些器件的老化特性，成为行业关注的焦点。
目前，针对功率器件的老化测试主要包括多种不同的测试方式。其中，JEDEC制定的老化测试标准（如HTGB、HTRB、H3TRB和功率循环测试）主要针对传统的硅基功率器件。对于新型的SiC等功率器件，AQG-324标准进一步要求增加动态老化测试，如动态栅偏和动态反偏测试。
这些传统测试方法大多采用单一应力条件对功率器件进行加速老化，并通过测试某一特定指标来了解器件的老化情况。然而，由于应力条件的单一性，这些方法在老化测试过程中难以全面评估器件的性能。特别是在面对新型功率器件时，传统的单一应力测试方法可能无法发现潜在的缺陷问题，从而无法准确预测器件在实际使用中的长期可靠性。
新型老化测试方法：高温工况老化测试（HTOL）
为了更全面地评估功率器件的老化特性，高温工况老化测试（HTOL）逐渐受到功率器件测试工程师的关注。HTOL通过将功率器件放置在实际的电源电路中，模拟其在工况状态下的工作条件。通过连续的硬开关或软开关电路施加应力进行老化测试，HTOL能够提供更加接近真实使用场景的老化效果，从而更准确地反映器件在综合应力条件下的表现。
以硬开关老化为例，参考JEP182标准给出的几种HTOL测试拓扑结构，被测器件可以在电路中分别处于硬开关、软开关和阻性负载开关组成的不同拓扑电路结构中。这种测试方法能够更全面地模拟器件在实际应用中的工作状态，从而更有效地评估其长期可靠性。
以上图（a）为例，电路结构类似双脉冲形式，在上管回路中加入功率电阻，用来在续流阶段消耗电感能量，以保证在连续开关过程中的电流平衡。由于电感L的能量在电阻R上耗散掉，因此电阻R会大量发热，导致在大功率测试条件下需要使用大尺寸的散热片，导致电路体积增大，并严重限制电路运行的总功率，无法让芯片工作在高压和大电流的条件下。
为了提高老化效率，增强老化过程中的应力条件，让功率器件工作在更接近真实场景的条件下，我们可以进一步改进测试电路。为了降低散热，提高电路工作效率，我们将老化电路中的电阻负载去除，通过使用电感负载，让功率器件工作在硬开关条件下，同时避免能量转变为热量耗散。
我们可通过控制四个功率器件开关的先后顺序，使Q1/Q4工作在连续硬开关条件下，Q2/Q3工作在续流状态，从而实现无电阻负载的连续硬开关电路。我们以量芯微650V GaN HEMT器件为例，进行HTOL测试，开关频率控制在100KHz。在连续因开关过程中，使用示波器（泰克公司）、高压电源（EA 1500V高压直流电源）、钳位测试探头（湖南栏海电气，小于100ns稳定时间），测量功率器件在到通过程中的导通电阻变化趋势，了解功率器件的老化过程。
实际测试案例与结果分析
以量芯微650V GaN HEMT器件为例，进行HTOL测试。测试中，使用泰克公司的示波器、EA 1500V高压直流电源和湖南栏海电气的钳位探头，测量功率器件在开关过程中的导通电阻变化趋势。通过控制功率器件开关的先后顺序，实现无电阻负载的连续硬开关电路。测试结果显示，在61小时的测试过程中，GaN器件与CREE公司的SiC MOSFET的动态导通电阻基本保持稳定，未出现明显抬升。进一步提高测试电压至520V后，经过245小时的测试，动态导通电阻出现缓慢上升，但整体仍保持在合理范围内。通过线性拟合，可预测器件在特定条件下的连续工作寿命。
下图为使用泰克MSO58B系列示波器测试动态导通电阻波形，我们通过导通电压与导通电流相除，得到特定位置的动态导通电阻阻值。经过长时间测试后，可以看到动态导通电阻的相对漂移情况
在测试过程中，功率器件连续硬开关会产生开关功率损耗导致自身发热，为了避免发热导致的结温变化影响功率器件特性改变，我们通过外加红外温度测试的方式，监控器件壳温，并通过风扇散热建立控温闭环回路，确保长时间工作时功率器件的结温稳定。
第一次测试中，我们选择量芯微 TO-247-4 封装的 GaN 功率器件与CREE公司的 C3M0040120D（1200V/66A）SiC MOSFET进行对比测试，测试条件一致，均为器件壳温80℃，开关频率100KHz，工作电流15A，工作电压400V。在61小时的测试过程中，我们比对两种不同类型器件的动态导通电阻变化曲线，如下图所示（纵轴为导通电阻，单位是毫欧）：其中蓝色曲线为 CREE SiC 器件动态导通电阻测试结果，约为110毫欧。红色曲线为GaN器件动态导通电阻测试结果约为54毫欧，曲线最前面的脉冲尖峰是测试过程中调整测试参数导致的。在同样时间段内，两颗器件的动态导通电阻基本保持稳定，测试过程中均未出现明显的抬升。
在上述老化过程中，直流电源输出电压400V，直流电流小于100mA，测试过程中单颗器件的系统直流功耗不到40W，相比传统HTOL老化电流，大幅度节省了电源功耗，降低测试成本。
为了进一步提高老化速度，看到更加明显的老化效果，第二次测试中我们选择工作电压作为老化加速因子，将测试电压从400V 提高至520V，其他测试条件不变，再次进行测试。HTOL 总运行时间增加为 245 小时，共记录29100个动态导通电阻测试结果，每个测试结果的时间间隔为30s。
上图中显示了在大约10天的连续测试中，其中纵轴数据为动态导通电阻测试结果，横轴为测试样点序号，被测功率器件的动态导通电阻变化曲线如图中所示。由于测试环境中昼夜温度的变化对测试电路的影响，导致测试结果中出现周期性的起伏波动，但长期趋势可以看出动态导通电阻在缓慢上升。与下图同期北京天气数据对比，可以看到起伏规律基本相同，可以确认环境温度对测试结果会产生一定影响。
通过对测试结果的数据进行线性拟合，可以得到动态导通电阻上升的斜率约为6.93*E-5。假设功率器件动态导通电阻上升30%时，器件寿命达到极限。那么按照520V，15A，器件壳温80℃，50%占空比的测试条件下，器件连续工作寿命可以达到 1724 小时。考虑到该器件的实际工作电压为400V，在正常工况下的连续工作时间会远长于这个数值。
通过实际测试数据，可以看出量芯微提供的650V高压GaN器件在老化特性上与SiC器件基本达到了同样的品质水平，当工作电压提升至520V时，可以看到导通电阻虽然出现缓慢提升，但仍可以保持较长的工作寿命。通过类似HTOL老化测试方法，可以帮助我们在较短的时间内了解新型功率器件的老化过程和性能退化情况，帮助研发和设计工程师快速改进设计，提升产品性能。
泰克创新实验室：助力功率器件测试与评估
泰克创新实验室V2.0经过全面升级，设备更新且测试能力大幅提升，能够满足第三代半导体功率器件的多样化测试需求。此次升级涵盖了GaN器件开关测试、动态导通电阻测试、SiC功率器件的短路测试和雪崩测试，以及更全面的静态参数和电容参数测试系统。此外，实验室还引入了全新的可靠性测试系统，专注于第三代半导体功率器件的性能评估。
实验室特别引入了高温度操作寿命（HTOL）测试方法，能够模拟器件在实际工作环境下的老化过程，通过高温加速器件退化，快速获取老化特性数据。这些数据不仅具有较高的说服力，还能为产品的保修期限和维护计划提供重要指导。HTOL测试还能预测器件在特定工作条件下的预期寿命，帮助设计者在产品开发和优化过程中做出精准决策。
泰克创新实验室致力于为客户提供精确的评估和专业的指导，帮助他们快速改进设计，提升产品性能。如果您想评估第三代半导体器件性能，验证所选功率器件是否符合产品设计要求，欢迎免费预约泰克先进半导体开放实验室，体验专家指导下的精确评估服务。
