針對惡劣環境應用的SiC功率器件

2020-11-28 電子發燒友

針對惡劣環境應用的SiC功率器件

鄧佳佳 發表於 2018-03-20 11:43:02

引言

SiC功率器件已經成為高效率、高電壓及高頻率的功率轉換應用中Si功率器件的可行替代品。正如預期的優越材料特性，SiC功率器件已經實現了高性能的系統應用，並取得了最高的效率標準且沒有任何向可靠性的妥協。Wolfspeed（Cree, Inc.旗下公司）的SiC二極體已經在眾多領域應用超過10年，器件在主要行業（戶內）應用中積累運行超過2兆小時，其中平均每10億小時內發生不到1次故障。近年來，可再生能源和交通運輸等戶外應用已經體現出對SiC功率器件的需求，以實現系統體積、重量、效率和成本等方面的優化目標。SiC功率器件已經實現了性價比預期，但是戶外現場應用對其提出了所有半導體器件都存在的高溼度條件下運行的挑戰。

溼度問題

在偏壓下承受潮溼的影響是所有電子產品長期面臨的問題。如傳統Si功率器件等半導體，在其裸露的晶片表面引入更高電壓會增加複雜性，同時材料和有源區對溼度增加引起的退化非常敏感，最終的失效模式是伴隨電化學遷移、擴展腐蝕和流動離子等典型失效機制引起的高電壓阻斷能力喪失[ 1 ]。因為大數量級電場的催化效應，這些Si功率器件所面臨的挑戰隨著SiC的應用而加劇，進一步刺激了上述失效機理的出現（圖1）。Wolfspeed的工程師們投入了大量的時間和資源來研究這些以往出現過的半導體失效機理，以開發支持全新W系列功率模塊產品的工藝和設計方案。

圖1. 更高電壓加載後的裸晶片表面

全新認證測試標準

JEDEC標準針對工業模塊的認證測試一直是採用高溼、高溫反向偏壓測試（H3TRB），也就是溫溼度偏壓測試（THB），該測試在相對溼度85 %和環境溫度85 ℃的環境試驗箱內進行。

測試樣品被放置在試驗箱內以100 V偏壓進行1000小時的實驗，要求所有測試樣品的參數保持在規格書範圍以內，且參數漂移最小（電壓測試規格的20%，漏電流測試規格的1000%）才算通過測試[2]。由於戶外應用中器件所承受的電壓遠高於100 V，H3TRB測試被認為對戶外應用是無效的。

研究人員針對Si功率器件設計了全新的溼度測試，即高壓高溼、高溫反向偏壓測試（HV-H3TRB），該測試將偏置電壓增加至80%額定阻斷電壓的最大使用條件，因此也被稱為THB-80測試。例如，1200 V的器件以前僅在100 V下進行測試，而在HV-H3TRB測試中將以960 V進行測試。Si功率器件已經成功在高溼度條件下現場運行，並通過了1000小時HV-H3TRB認證測試，最終在2000小時以上才出現失效。如圖2所示，Wolfspeed 62mm封裝的1200V/300A半橋功率模塊WAS300M12BM2，是第一款符合這一全新可靠性標準的全SiC功率模塊。

圖2. 第一款符合全新可靠性標準的全SiC功率模塊

針對惡劣環境應用的全SiC功率模塊

WAS300M12BM2由Wolfspeed的全新MOSFET（CPM2-1200-0025A）和第5代肖特基二極體構成，可在晶片級別滿足惡劣環境標準。在裸晶片的認證過程中，來自3個不同裝配批次（共75個MOSFET和75個肖特基二極體）隨機抽取的25組測試樣品順利通過了HV-H3TRB測試，具有一定統計顯著性和連續運行重現性。針對惡劣環境應用的WAS300M12BM2與現有工業級模塊CAS300M12BM2的電氣性能相同，具有低至4.2 m?的通態電阻及開關損耗不到相同規格的最新IGBT模塊的20%。這款模塊的構造採用了高導熱的氮化鋁基板和優化後的裝配工藝，以滿足工業應用對熱循環和功率循環的要求。

隨機抽取6個WAS300M12BM2進行HV-H3TRB測試，在每500小時的試驗迭代結束時，所有測試樣品從試驗箱取出並測試其電氣穩定性和數據合規性。在500小時和1000小時試驗後分別破壞了1個模塊，以進行視覺測試來確認是否出現任何可能導致模塊早期失效的潛在缺陷。

除了為確認HV-H3TRB的測試條件的正常監測外，每個測試樣品還分別監測了各自的漏電流（IDSS），IDSS波形不穩定被認為是失效的前兆特徵。如圖3所示，在整個1000小時的認證測試中，所有測試樣品都具有穩定的IDSS波形，通過電氣測試確認了模塊電壓漂移＜5%及漏電流漂移＜50%，均在JEDEC標準允許的範圍之內。

圖3. 監測模塊漏電流

分別在500小時和1000小時失效的2個模塊的原始晶片表面視覺測試結果如圖4所示，這個結果可與無應力部分的相比擬。高倍顯微鏡測試結果證實沒有出現氧化和電化學遷移等失效跡象。剩下的4個未開封模塊繼續進行HV-H3TRB測試，經過2000小時以上的測試仍未失效。

圖4. 分別在500小時和1000小時測試後失效模塊的原始晶片表面視覺測試結果

結論

Wolfspeed全新的WAS300M12BM2功率模塊在高溼度條件下表現出優異的性能，這是第一款通過HV-H3TRB測試驗證具有長期使用壽命的，且在後應力物理分析中沒有發現任何潛在缺陷的，並針對惡劣環境應用的全SiC功率器件，這些結果都為Wolfspeed W系列SiC功率模塊在可再生能源和交通運輸等戶外功率轉換應用中的使用打開了大門。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 曾正:SiC功率器件的封裝測試與系統集成
    ，系統研究了SiC 功率器件的封裝集成與系統應用，在SiC 功率器件的電-熱表徵、封裝優化設計、多物理場建模、多晶片並聯均流、精確穩定測試和系統集成等方面，取得了較為豐碩的研究成果，積累了較為豐富的研究經驗。
  • 曾正：SiC功率器件的封裝測試與系統集成
    然而，SiC 功率器件突破了Si 功率器件的技術體系，在性能表徵、封裝集成、暫態測試和系統應用等方面，缺乏基礎理論和關鍵技術支撐，面臨新的嚴峻挑戰。▋ 第1 章 緒論介紹功率器件的應用背景和技術需求，闡述功率器件的完整產業鏈，介紹功率器件的發展趨勢，簡述SiC 器件的電熱性能和封裝需求。
  • 助力功率半導體器件應用結溫升高 SiC將改變電力系統設計格局
    除了上述三種典型的高溫應用外，在許多特種工業應用中，液體冷卻受到嚴重限制時，電控系統將面臨同樣的高溫挑戰。耐高溫的電控技術是實現以上高溫應用的關鍵，其核心實現技術是SiC功率器件的高溫封裝技術和與之相匹配的高溫驅動電路技術。SiC材料及其器件結構有天生的耐高溫能力，在真空條件下甚至可耐達400至600℃的高溫。
  • SiC助力功率半導體器件的應用結溫升高,將大大改變電力系統的設計...
    vyvEETC-電子工程專輯除了上述三種典型的高溫應用外，在許多特種工業應用中，液體冷卻受到嚴重限制時，電控系統將面臨同樣的高溫挑戰。耐高溫的電控技術是實現以上高溫應用的關鍵，其核心實現技術是SiC功率器件的高溫封裝技術和與之相匹配的高溫驅動電路技術。
  • 碳化矽(SiC)功率器件或在電動汽車領域一決勝負
    散熱容易：由於SiC材料的熱導率較高(是Si的三倍)，散熱更容易，器件可工作在更高的環境溫度下。理論上，SiC功率器件可在175℃結溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。3.導通損耗和開關損耗低：SiC材料具有兩倍於Si的電子飽和速度，使得SiC 器件具有極低的導通電阻(1/100 於Si)，導通損耗低；SiC 材料具有3倍於Si 的禁帶寬度，洩漏電流比Si 器件減少了幾個數量級，從而可以減少功率器件的功率損耗；關斷過程中不存在電流拖尾現象，開關損耗低，可大大提高實際應用的開關頻率(10 倍於Si)。4.
  • SiC功率半導體器件技術發展現狀及市場前景
    本文首先介紹了SiC功率半導體器件技術發展現狀及市場前景，其次闡述了SiC功率器件發展中存在的問題，最後介紹了SiC功率半導體器件的突破。 　　SiC功率半導體器件技術發展現狀 　　1、碳化矽功率二極體 　　碳化矽功率二極體有三種類型：肖特基二極體（SBD）、PiN二極體和結勢壘控制肖特基二極體（JBS）。
  • 各種SiC功率器件的研究和開發進入迅速發展時期
    SiC功率器件的研發始於1970年代，80年代SiC晶體質量和製造工藝獲得大幅改進，隨著90年代高品質6H-SiC和4H-SiC外延層生長技術的成功應用，各種SiC功率器件的研究和開發進入迅速發展時期。 SiC是由矽和碳組成的化合物半導體材料，C原子和Si原子不同的結合方式使SiC擁有多種晶格結構，如4H,6H,3C等等。
  • 碳化矽JFET助推功率轉換電路的設計方案
    與傳統的MOSFET器件相比，JFET不易發生故障，適合斷路器和限流應用。例如，如果你用1毫安的電流偏置一個JFET的柵極，並監控柵極電壓Vgs，見圖1，你可以監控器件的溫度，因為Vgs隨溫度線性降低。此屬性對於需要功率場效應管（Sic JFET）的功率模塊應用程式特別有用，它可以監視其自身的運行狀況。
  • SiC功率器件是怎樣進行封裝的?有什麼要點?
    SiC功率器件是怎樣進行封裝的？有什麼要點？ 工程師黃明星 發表於 2018-08-23 15:01:12 具有成本效益的大功率高溫半導體器件是應用於微電子技術的基本元件。SiC是寬帶隙半導體材料，與Si相比，它在應用中具有諸多優勢。
  • 2020年碳化矽功率器件在電動車領域應用情況及前景分析
    近年來，碳化矽晶片作為襯底材料的應用逐步成熟並進入產業化階段，以碳化矽晶片為襯底，通常使用化學氣相沉積(CVD)方法，在晶片上澱積一層單晶形成外延片。其中，在導電型碳化矽襯底上生長碳化矽外延層製得碳化矽外延片，可進一步製成功率器件，應用於新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域；在半絕緣型碳化矽襯底上生長氮化鎵外延層製得碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)外延片，可進一步製成微波射頻器件，應用於5G通訊、雷達等領域。
  • 現代功率模塊及器件應用技術
    因此，有必要就功率模塊的應用技術，如選型、驅動、保護、冷卻、並聯和串聯以及軟開關電路等，進行一次全面的系列介紹。1 IGBT和MOSFET功率模塊1.1 應用範圍如圖1所示，當前眾多的電力電子電路可由功率MOSFET或IGBT來實現。
  • 滿足高溫環境需求的汽車電子器件
    汽車中使用的電子器件數量在不斷增多，而且這一趨勢也開始出現在一些由於環境惡劣而通常難以使用具有成本效益的電子器件的領域，例如，直接用於電機或變速箱、渦輪增壓器或廢氣再循環系統中。業界一直希望出現外形小巧、經濟的機電系統，這類系統可與電機一起直接安裝在待驅動的機械裝置上。
  • 第三代半導體材料展望:SiC功率器件走向繁榮
    原標題：第三代半導體材料展望：SiC功率器件走向繁榮 　　如今，第三代半導體和前兩代相比已經有了質的飛躍。
  • SiC器件與Si器件性能比較
    SiC器件與Si器件性能比較 灰色天空 發表於 2012-12-04 10:23:44 SIC是什麼呢？相比於Si器件，SiC功率器件的優勢體現在哪些方面？
  • 霍爾器件的應用及原理
    打開APP 霍爾器件的應用及原理 發表於 2019-06-20 11:28:37 　　霍爾器件 　　霍爾器件即利用霍爾效應製成的半導體器件。
  • 常見的功率半導體器件有哪些?
    功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，主要用於改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉換等。按照分類來看，功率半導體可以分為功率IC和功率分立器件兩大類，其中功率分立器件主要包括二極體、晶閘管、電晶體等產品。
  • 最強科普:功率器件進階之路
    Q: 功率器件這麼多，如何分類？ A: 按照導通、關斷的受控情況可分為不可控、半控和全控型功率器件；按照載流子導電情況可分為雙極型、單極型和複合型功率器件；按照控制信號情況，可以分為電流驅動型和電壓驅動型功率器件。 如果想學習功率器件相關知識，有推薦的資料或書籍嗎？
  • 碳化矽器件的分類及典型應用
    碳化矽器件的分類及典型應用 半導體商城 發表於 2020-11-23 09:44:36 　　碳化矽為代表的第三代寬禁帶半導體，可在更高溫度、電壓及頻率環境正常工作
  • 功率器件心得——功率MOSFET心得
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/341058.htm　　功率MOSFET是較常使用的一類功率器件。「MOSFET」是英文MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor的縮寫，譯成中文是「金屬氧化物半導體場效應管」。
  • 軌道交通列車牽引變流器功率器件壽命評估
    鐵路牽引領域的變流器屬於非平穩工況變流器，而IGBT的處理功率經常大範圍波動，並且工作時所承受的交變熱應力衝擊極易導致疲勞，甚至老化失效，這些特點使得其應用條件更加嚴酷。因此，獲取有效的監測參數評估功率器件的工作狀態，並建立有效的功率器件退化模型預測剩餘壽命，對牽引傳動系統建立更好維護時間表和確定合理的檢修周期具有重要的指導和借鑑意義，這也是保證列車牽引傳動系統安全穩定運行的關鍵。