SiC和GaN的可靠性

近年来，电力电子应用中越来越多地从硅转向碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。在过去的十年中，后者已被委托给SiC和GaN半导体，这无疑为电气化和强劲的未来铺平了道路。由于其固有特性，宽带隙半导体在许多电力应用中正在逐步取代传统的硅基器件。硅现在已经风光无限，其应用的可靠性一直非常高。现在，有必要验证这两种新型半导体从长远来看是否可以提供相同的安全前景，以及它们在未来是否对设计人员来说是可靠的。

介绍

如今，最常用的应用对能够管理更高电压、频率和温度，同时保持效率和可靠性的能源和电力的需求日益增长。新材料碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 都是宽带 (WBG) 半导体，非常有前景，与传统硅相比具有显着优势，尤其是在电力电子应用中。然而，即使迄今为止，新材料的安装越来越广泛和数量越来越多，它们的长期可靠性仍然是大规模采用的持续研究的主题。随着这项技术逐渐成熟，人们自然会对其长期可靠性产生怀疑。

在极端功率应用中使用宽带隙半导体必须伴随着对器件可靠性的仔细评估和分析。毫无疑问，与硅相比，新型碳化硅和氮化镓器件具有更加优越的性能。其中包括更高的 Vds 电压、更低的 Rds(ON) 电阻和更高的开关速度。这些特性允许创建具有更高功率密度、更低损耗和更高整体效率的系统和电路。然而，SiC和GaN的独特性能也带来了新的可靠性挑战。

设计人员和公司必须更加关注的主要参数之一是器件的长期稳定性，特别是在高压和高温工作条件下。高电场和热应力可能导致栅极氧化物、沟道迁移率的退化机制以及与封装本身相关的故障。当 MOS 器件的栅极承受热应力和电应力时，尤其会发生这种情况。此外，材料中新缺陷的形成会对此类设备的可靠性产生负面影响。

然而，在研究的同时，进一步开发 SiC 和 GaN 器件的可靠性、提高材料质量、器件设计和封装技术的研究也在进行中，以提高其坚固性和寿命。公司和制造商在极端条件下执行加速老化程序和测试，以评估长期性能并识别潜在的故障模式，无论是在实验室还是在实际操作环境中。一旦确定了加速应力寿命，加速测试可用于预测正常最终使用条件下的产品寿命。这些评估在功率器件的测试中发挥着至关重要的作用，使操作员能够对满足温度和电应力要求的产品进行评估和分类。

测试主要涉及设备在一段时间内的极端工作温度，以及在一段时间内重复多次的 DS 通道中强电流的监控。这些测试实施连续和交替的电气和热测试，并有可能生成详细的最终报告。众所周知，电子元件最大的敌人是高温。显示了 SiC MOSFET的电流和功率的典型趋势，在 -60°C 至 +200°C 范围内改变工作温度(在给定负载和电源电压的电路仿真中)。虽然电流几乎恒定并随着温度升高而略有下降，但随着温度在整个范围内升高，功耗却急剧增加(甚至超过 5 倍)。这意味着各种问题，从长远来看，会缩短设备的使用寿命。

SiC 和 GaN 组件的可靠性

SiC和GaN属于一种新兴的现代技术，尽管它们已经大量用于许多功率应用，但尚未完全成熟。材料可靠性的概念正受到越来越多的关注，因为它们的使用量呈指数级增长，并且涉及的行业(尤其是安全领域)众多，首先是汽车行业。 SiC 器件中存在的主要问题之一是栅极氧化物变得越来越薄，因为它可能会恶化。

这种缺陷会直接导致设备故障，甚至严重故障。在SiC MOSFET器件商业化之初，其可靠性程度远低于硅同类产品，但这种差距正在慢慢缩小。一般来说，涉及的失效过程略有不同，因为 SiC 是垂直 PN 结器件，而 GaN 是横向 HEMT 器件。 MOSFET 在功率和高压应用中的稳健性极其重要。

MOSFET 或二极管在用于任何最终解决方案之前必须通过各种测试。半导体产品可靠性测试的目的是保证设备的使用寿命。许多应用需要中等或较长的使用寿命以及较低的故障率。有些测试需要大量的时间来执行，而且通常这个要求并不完全可行。因此，许多经常对组件进行测试和承受压力的测试意味着通过故意加速某些参数(例如电压、电流、温度和湿度)来缩短时间。

SiC MOSFET 的可靠性主要受热应力影响，而热应力又取决于工作条件。由于这些温度变化，模块的内部材料会恶化。典型的热失效发生在不同热膨胀系数的材料之间，特别是在绝缘基板和基板之间的接触点处。制造商在开发过程和设备生命周期的早期阶段对电子元件进行可靠性研究。只有这样，才能保证SiC和GaN基器件的安全可靠运行。

设备压力测试包括测试数千个设备在类似现实世界的操作条件下并行连接。测试持续4个多月，允许操作人员获得足够的故障，从而列出足够可靠的统计数据。有些方法允许通过栅极电压应力测试来估计MOS器件的栅极氧化物稳定性。对于试样，在允许的最大结温度下进行操作试验。在测试过程中，栅极电压从制造商推荐的电压开始逐渐升高。在每个时间间隔后，计算故障设备并从测试电路中消除。测试继续进行，直到所有设备都无法使用，此时，可以使用特定的数学模型来可视化故障的分布。

许多制造商为 SiC-MOSFET 制造栅极氧化膜，其可靠性极高，可与 Si-MOSFET 相媲美，而 Si-MOSFET 现在已是一个极其成熟的领域，其结果与前辈相当。许多测试都是在操作条件限制的参数下进行的，并经过数千小时的验证确认无故障运行。一些故障涉及体二极管的导电性能下降，这意味着电流路径发生变化，并导致二极管本身的 Rds(ON) 和 Vf 参数增加。与硅 MOSFET 相比，SiC-MOSFET 的特点是芯片面积更小、电流强度更高。因此，它们承受短路的能力也较低。

平均而言，这些器件的短路电阻时间约为几十微秒。该时序还取决于电压Vgs和Vdd。在高空和太空应用中，宇宙射线可能会引起担忧。相关的辐照测试表明，大多数型号都相当耐用。此外，由于 SiC 芯片的尺寸比硅芯片更小，因此发生 ESD 相关故障的可能性更高。因此，有必要采取适当的静电对策，通过离子发生器和接地手环消除人体和工作环境中的静电。

结论

汽车行业有着严格的可靠性要求，推动了 SiC 和 GaN 器件领域的创新。这些半导体在电动汽车中的采用虽然因其在效率、尺寸和重量方面的优势而迅速增长，但也取决于它们的长期可靠性，这是确保车辆安全和寿命的关键因素。汽车等要求严苛的市场提出了非常高的标准，故障率在十亿分之一 (PPB) 范围内。尽管由于技术进步，SiC 和 GaN 器件的可靠性不再受到质疑，但它仍然是一个活跃且不断发展的研究领域。确保这些设备满足实际应用严格的可靠性要求的努力正在为电力电子革命铺平道路。随着不断发展和广泛采用，碳化硅和氮化镓有望塑造更加电气化和可持续的未来，巩固其作为能源转型关键技术的作用。