近年來，功率半導體市場見證了碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）在汽車、太陽能逆變器以及廣泛工業電源應用中的加速采用。推動SiC MOSFET迅速普及的主要因素之一是其單極物理特性，這使得器件能夠實現快速開關，進而顯著提升系統效率。為了追求更高的系統性能，提高SiC MOSFET的開關頻率與速度往往成為系統設計階段評估的關鍵折衷參數。
 

然而，對于半導體設計者而言，理解技術與工藝設計對器件復雜系統級動態應力的可靠性影響是難以預測的。由JEDEC或AEC-Q101等機構規定的標準資格認證和可靠性測試，如高溫度反偏測試（HTRB）和高溫度門極偏置測試（HTGB），僅施加于器件的穩態操作，并被用來加速響應特定物理機制或器件區域。在典型的使用條件下，器件會經歷間歇性和動態應力，包括大電流、高溫、快速瞬變，這些瞬態應力同時出現在柵極和漏極節點上，可能導致新的退化機制或失效模式。
 

對于SiC MOSFET，多年來關于柵氧質量的問題已被反復報道。與硅MOSFET相比，固有的SiC/SiO2界面存在更多的陷阱，這可能會導致閾值電壓漂移、遲滯現象，甚至在穩態環境下出現故障。在快速重復的動態操作中，研究已顯示出更為復雜的退化現象，包括氧化物界面和內部體二極管。
 

正如前文所述，電路設計人員正在推動電力電子設備向更高頻率發展以增加效率。這通常會導致更高的Vds dV/dt（漏源電壓變化率）。早期的SiC二極管在極端dV/dt條件下展現出失效模式，但對于SiC MOSFET在重復dV/dt條件下的長期穩定性，鮮有研究結果。為了確保在廣泛的dV/dt條件下實現可靠性，一個合適的可靠性測試系統應當具備以下能力：能夠對正向工作模式及MOSFET體二極管的反向恢復進行應力測試，輕松調整dV/dt，維持恒定的結溫Tj，并具有可擴展性，適用于大量樣本測試以生成統計數據。

系統概述
 

根據G. Sheh在“大規模測試平臺：用于模擬真實工作電壓和電流應力的SiC二極管和MOSFET在電路可靠性測試”一文中概述的方法，評估開關可靠性可以通過兩種不同的途徑實現：應用層面測試系統或測試載體電路。在本研究中，我們選擇了一種可擴展的測試載體，該載體能夠對碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）在各種工作條件下進行評估，包括溫度、電壓、電流、開關速度和開關頻率。圖1展示了AOS dv/dt應力測試系統。一個應力測試系統包含驅動模塊和控制若干子系統板同時運行的組件。

圖1｜dv/dt應力測試系統

為了降低測試系統的功耗，我們采用了帶有能量回收的拓撲結構。這種設計使得從負載回收的能量得以循環利用，提高了效率。圖2展示了一個可擴展測試裝置的圖片，該裝置能同時對多個器件施加10V/ns和150V/ns的不同應力水平。由于電路相對簡單，可以輕松調整電流，以模擬極端使用條件下的應用案例，比如在柵極和源極之間出現極端負向開關尖峰。 

圖2｜系統在不同dV/dt下同時驗證測試多個器件

圖3 展示了在開關瞬變期間對柵極重復施加-15V應力的測試，這顯示了我們能夠調節柵極應力及dV/dt的能力。圖4則呈現了在150V/ns開關應力下，開關波形的情況。

圖3｜待驗證MOSFET的開關波形

 
圖4｜在150V/ns開關應力下的開關波形

為了減小子系統板的尺寸并簡化冷卻系統的設計，所有的碳化硅（SiC）MOSFET都被安裝在一個高速風扇驅動的單個風洞散熱器上。這套冷卻系統功能強大，允許SiC MOSFET在高頻率和大電流下工作。為了達到所需的結溫，我們通過使用具有不同熱阻的隔離片材料或厚度來調整從結(Junction)到散熱器的總熱阻。直接測量結溫非常困難，因此根據芯片中心上方塑料封裝殼體的溫度來估算結溫。圖5展示了通過紅外熱像儀進行的熱測量。基于經驗，芯片中心上方塑料封裝殼體的溫度接近85℃，而結溫則接近100℃。

圖5｜使用紅外熱像儀對被測設備（DUT）進行的熱測量

器件概述

圖6展示了本次研究中測試的平面型碳化硅（SiC）MOSFET的剖面圖。這些MOSFET具有標稱閾值電壓（VTH）為2.8V，典型的導通電阻（RDS,ON）范圍從15毫歐至65毫歐，電壓等級分別為750V和1200V。所有器件均屬于經過AEC-Q101認證工藝。 

圖6 | 測試用SiC MOSFET的剖面圖 

實驗結果

圖7和圖8則分別展示了在直流電壓（VDC）為800V，連續電流（ID）為40A，結溫（Tj）為100°C的條件下，對1200V/33毫歐SiC MOSFET進行20kHz開關操作超過1500小時后，閾值電壓（VTH）、導通電阻（RDS,ON）、漏源飽和電流（IDSS）以及體二極管正向電壓（VF）幾乎無明顯變化的結果。

圖7｜硬開關MOSFET在10V/ns和150V/ns dV/dt條件下，長達1768小時的閾值電壓（VTH）測量結果
 

圖8｜反向恢復MOSFET，在10V/ns和150V/ns dV/dt條件下，長達1768小時的體二極管正向電壓測量結果

結語

AOS于2019年推出可大批量生產的第二代1200V車規級/工規級aSiC MOSFET, 產品的導通內阻覆蓋了從20mohm到500mohm的范圍，涵蓋了市場上各類相關應用；隨后推出了750V/650V車規級/工規級aSiC MOSFET，導通內阻覆蓋了15mohm到60mohm的范圍，更廣泛的涵蓋了各種高效率高功率密度的電源應用，為客戶提供高性能和高可靠性的解決方案。

目前AOS第二代aSiC MOSFET分立器件全線產品均符合AEC-Q101標準，能夠為客戶提供廣泛的靜態導通電阻以及多種封裝選擇。在產品規格上，提供了650V、750V、1200V和1700V耐壓等級，15mΩ-1000mΩ導通電阻范圍的產品，具有優異的開關損耗、雪崩能力、短路能力等特性。而以上測試數據也驗證AOS可以為設計人員提供更先進的下一代半導體技術，以提高效率達成能效目標。