针对恶劣环境应用的SiC功率器件

引言

SiC功率器件已经成为高效率、高电压及高频率的功率转换应用中Si功率器件的可行替代品。正如预期的优越材料特性，SiC功率器件已经实现了高性能的系统应用，并取得了最高的效率标准且没有任何向可靠性的妥协。Wolfspeed（Cree, Inc.旗下公司）的SiC二极管已经在众多领域应用超过10年，器件在主要行业（户内）应用中积累运行超过2兆小时，其中平均每10亿小时内发生不到1次故障。近年来，可再生能源和交通运输等户外应用已经体现出对SiC功率器件的需求，以实现系统体积、重量、效率和成本等方面的优化目标。SiC功率器件已经实现了性价比预期，但是户外现场应用对其提出了所有半导体器件都存在的高湿度条件下运行的挑战。

湿度问题

在偏压下承受潮湿的影响是所有电子产品长期面临的问题。如传统Si功率器件等半导体，在其裸露的芯片表面引入更高电压会增加复杂性，同时材料和有源区对湿度增加引起的退化非常敏感，最终的失效模式是伴随电化学迁移、扩展腐蚀和流动离子等典型失效机制引起的高电压阻断能力丧失[ 1 ]。因为大数量级电场的催化效应，这些Si功率器件所面临的挑战随着SiC的应用而加剧，进一步刺激了上述失效机理的出现（图1）。Wolfspeed的工程师们投入了大量的时间和资源来研究这些以往出现过的半导体失效机理，以开发支持全新W系列功率模块产品的工艺和设计方案。

图1. 更高电压加载后的裸芯片表面

全新认证测试标准

JEDEC标准针对工业模块的认证测试一直是采用高湿、高温反向偏压测试（H3TRB），也就是温湿度偏压测试（THB），该测试在相对湿度85 %和环境温度85 ℃的环境试验箱内进行。

测试样品被放置在试验箱内以100 V偏压进行1000小时的实验，要求所有测试样品的参数保持在规格书范围以内，且参数漂移最小（电压测试规格的20%，漏电流测试规格的1000%）才算通过测试[2]。由于户外应用中器件所承受的电压远高于100 V，H3TRB测试被认为对户外应用是无效的。

研究人员针对Si功率器件设计了全新的湿度测试，即高压高湿、高温反向偏压测试（HV-H3TRB），该测试将偏置电压增加至80%额定阻断电压的最大使用条件，因此也被称为THB-80测试。例如，1200 V的器件以前仅在100 V下进行测试，而在HV-H3TRB测试中将以960 V进行测试。Si功率器件已经成功在高湿度条件下现场运行，并通过了1000小时HV-H3TRB认证测试，最终在2000小时以上才出现失效。如图2所示，Wolfspeed 62mm封装的1200V/300A半桥功率模块WAS300M12BM2，是第一款符合这一全新可靠性标准的全SiC功率模块。

图2. 第一款符合全新可靠性标准的全SiC功率模块

针对恶劣环境应用的全SiC功率模块

WAS300M12BM2由Wolfspeed的全新MOSFET（CPM2-1200-0025A）和第5代肖特基二极管构成，可在芯片级别满足恶劣环境标准。在裸芯片的认证过程中，来自3个不同装配批次（共75个MOSFET和75个肖特基二极管）随机抽取的25组测试样品顺利通过了HV-H3TRB测试，具有一定统计显著性和连续运行重现性。针对恶劣环境应用的WAS300M12BM2与现有工业级模块CAS300M12BM2的电气性能相同，具有低至4.2 m?的通态电阻及开关损耗不到相同规格的最新IGBT模块的20%。这款模块的构造采用了高导热的氮化铝基板和优化后的装配工艺，以满足工业应用对热循环和功率循环的要求。

随机抽取6个WAS300M12BM2进行HV-H3TRB测试，在每500小时的试验迭代结束时，所有测试样品从试验箱取出并测试其电气稳定性和数据合规性。在500小时和1000小时试验后分别破坏了1个模块，以进行视觉测试来确认是否出现任何可能导致模块早期失效的潜在缺陷。

除了为确认HV-H3TRB的测试条件的正常监测外，每个测试样品还分别监测了各自的漏电流（IDSS），IDSS波形不稳定被认为是失效的前兆特征。如图3所示，在整个1000小时的认证测试中，所有测试样品都具有稳定的IDSS波形，通过电气测试确认了模块电压漂移＜5%及漏电流漂移＜50%，均在JEDEC标准允许的范围之内。

图3. 监测模块漏电流

分别在500小时和1000小时失效的2个模块的原始芯片表面视觉测试结果如图4所示，这个结果可与无应力部分的相比拟。高倍显微镜测试结果证实没有出现氧化和电化学迁移等失效迹象。剩下的4个未开封模块继续进行HV-H3TRB测试，经过2000小时以上的测试仍未失效。

图4. 分别在500小时和1000小时测试后失效模块的原始芯片表面视觉测试结果

结论

Wolfspeed全新的WAS300M12BM2功率模块在高湿度条件下表现出优异的性能，这是第一款通过HV-H3TRB测试验证具有长期使用寿命的，且在后应力物理分析中没有发现任何潜在缺陷的，并针对恶劣环境应用的全SiC功率器件，这些结果都为Wolfspeed W系列SiC功率模块在可再生能源和交通运输等户外功率转换应用中的使用打开了大门。