WBG功率半导体特性和可靠性挑战

2023年12月5-7日，在美国举行的第十届 IEEE宽带隙功率器件和应用研讨会 (WiPDA)上，行业专家讨论了WBG功率器件/模块特性和可靠性测试的最新进展。本文将对会议重点做汇总，供各位专家参考！

碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)宽带隙 (WBG) 功率器件中实现的高开关频率和转换速率给在特定应用条件下精确测量器件特性带来了独特的挑战。这些相对较新的设备的可靠性标准仍在不断发展。正在开发故障模式和加速测试条件定义，以创建测试指南。

WBG 功率半导体的静态和动态特性

会议上，是德科技解决方案架构师 Ryo Takeda全面概述了 WBG 器件静态和动态特性分析中涉及的挑战和解决方案。是德科技生产电子测试和测量设备及软件。

1.静态测量

器件导通电阻 (R DSON ) 等静态测量通常是器件表征的第一步。使这些准确的一些关键解决方案是：

• 使用开尔文连接可大大提高高电流测量期间的精度，或者当被测设备 (DUT) 的阻抗远小于电缆的残余电阻或测试电路的其他寄生电阻时。
• 此方法通过使用 4 线连接来工作，从而将电压和电流连接分开。例如，如果使用独立的电流源，则电压表由于其固有的高输入阻抗，可以实现精确的电压测量，而在其路径中的串联电阻器中不会出现压降。这里的指导原则是将感测端子连接到比力端子更靠近 DUT 的位置。
• 源测量单元 (SMU)：SMU 包括反馈电路，用于感测和控制电流或电压的输出。
• 此外，它们还包括多范围设置，可提高给定测试条件的分辨率和准确性。通常使用差分运算放大器和模数转换器（DAC 和 ADC）。这些 SMU 与开尔文连接一起使用，极大地改善了击穿测量。
• 电压合规性可在测试期间保护器件，并且使用电流扫描可在击穿后进行负电阻监控。精确的范围感应有助于检测击穿前的低（亚纳安）泄漏电流。图 1 显示了精确 R DSON测量的示例，其中该图显示了跨宽漏极电流 ID (0 – 300 A) 的稳定测量结果。

• 使用保护环通过三轴电缆进行低电流测量。这减少了漏电流，因为它用与力/信号线电位相同的导电材料围绕中心力/信号端子。
• 使用延迟或减去偏移可以克服在电压应用开始时绝缘材料上出现的电介质吸收电流。
• 信号平均或积分，尤其是在电源线周期间隔内，可以减少来自电源线的噪声。

2.动态表征

双脉冲测试 (DPT) 是测量开关特性的标准方法。提高此测试准确性的一些有用方法是：

• 最小化电源环路电感。漏极线电感会产生振铃，而源极线电感会在栅极环路上产生负反馈并影响开关速度。
• 最大限度地减少共模接地噪声，共模接地噪声也会产生振铃。
• 示波器信号的时间偏差会导致测量不准确。通过对准参考信号进行去偏是解决此问题的一种方法。
• 示波器需要具有适当的带宽 (BW)。经验法则是 BW > 0.35/tr，其中 tr 是高斯响应的开关转换时间。GaN器件的转换时间低至 2 ns，需要带宽 > 175 MHz 的示波器。
• 由于该测试需要高能量，因此安全性是 DPT 测试仪的关键。

SiC 测试的可靠性挑战

德国公司SET GmbH的专长之一是创建专为 WBG 功率器件和模块定制的可靠性测试系统。SET 副总裁兼技术负责人 Frank Heidemann 解决了 WBG 技术动态可靠性测试的需求。

动态高温栅极偏置 (HTGB) 测试

SiC 器件中出现的新故障机制为其在汽车应用中的使用带来了风险。电动汽车牵引逆变器是这些设备被广泛使用的应用领域。失败还可能意味着行为的转变，从而导致效率损失，从而降低里程数。静态 HTGB 是硅功率器件的行业标准。然而，SiC 器件中的栅极氧化物及其界面很容易出现 Si 器件中未见的故障。

其中之一是动态开关条件下阈值电压 (Vth) 和相应 R DSON的变化。图 2 中显示了一个示例，其中栅极以 400 kHz 的频率在指定的最小到最大数据表规范上进行脉冲，在 25°C 的温度下，dV/dt 为 1 V/ns。

在此图中，汽车寿命定义为逆变器以 20 kHz 频率开关，总持续时间为 8,000 小时（576 G 周期）。测试表明，不同设备制造商的响应有所不同；有些显示 Vth 在汽车使用寿命内增加到 500 mV 以下，而另一些显示 Vth 增加超过 3,000 mV。该响应的一些特征以及提高准确性的测量技术包括：

• Vth 的偏移取决于脉冲总数，即似乎对频率相对不敏感。静态测试无法复制它。
• Vth 和 R DSON的现场测量应在应力室中进行。
• 在两年多的测试中，这种转变并未饱和。位移的斜率也不随着应力的增加而改变。
• 在没有压力的情况下 2-3 天后，轮班不会恢复。
• 测试过程中的温度控制是关键。绝对温度似乎不是加速因素，但由于 Vth 与温度相关，因此移位的精度依赖于稳定的温度。
• 栅极脉冲电压应在数据表限制范围内，包括过冲和下冲。此外，dV/dt 应遵循应用要求，例如 1 V/ns。
• 激励后的预处理在 Vth 测量之前非常重要，可以最大限度地减少可能超过实际偏移的噪声误差。使用 100 ms 延迟。
• R DSON 的变化遵循 Vth 的预期变化。测量显示，在汽车寿命的 1/10 内，逆变器的效率就可能提高 15%，这可能会导致逆变器效率显着下降。
• Vth 偏移似乎不依赖于漏极偏置，这使得测试更容易、更快速地执行。
• 还建议对器件和模块进行测试，因为过冲/下冲可能不同并影响结果。

动态高温和湿度反向偏置 (H3TRB)

H3TRB 测试通常在相对湿度为 85% 和最大漏极电压规格的 80%、温度为 85°C 的条件下进行。在动态测试中，漏极偏置在应用dV/dt（例如50V/ns）下以特定频率（例如100kHz）切换。

直接自激励方法以半桥布置方式切换 DUT 栅极，而间接方法则使用半桥布置中的外部器件来驱动 DUT 漏极，从而使 DUT 保持无源状态。被动方法可以产生更精确的刺激，并避免 DUT 中的自加热，从而降低湿度水平。动态 H3TRB 故障也被证明是设备切换所特有的，即不是由静态 H3TRB 条件引起的。芯片边缘出现分层和腐蚀等故障。

高温正向偏置 (HTFB)

在 SiC MOSFET 中，当体二极管导通时，基面缺陷 (BPD) 会降低第三象限操作下的器件性能。开关应用中的反向漏极电流脉冲 (I SD ) 可能远高于正向电流。

欧洲电力电子中心 (ECPE) 工作组正在讨论动态 HTFB 测试程序。