當前,SiC全球產業布局上,形成美、歐、日三強態勢,但與第一代、第二代半導體材料相比,全球第三代半導體產業均還在發展初期,國內與主流SiC產業差距不大,為國產三代半產業提供了彎道超車、打入半導體元器件高端產業鏈的機會。目前,SiC產業普遍遇到的問題是良率低、成本高的瓶頸,而對于國產器件,一致性和可靠性也是其市場應用的攔路虎,要獲取市場信任與認可,可靠性驗證是必經之路。驗證SiC功率器件高溫與高壓下的模擬壽命,可采用高溫反偏(HTRB)作為基礎的驗證試驗。
1、高溫反偏試驗的作用
高溫反偏試驗是模擬器件在靜態或穩態工作模式下,以最高反偏電壓或指定反偏電壓進行工作,以研究偏置條件和溫度隨時間對器件的壽命模擬。甚至一些廠商還會將其作為一篩或二篩的核心試驗。
2、高溫反偏的試驗條件
分立器件的高溫反偏主要采用的試驗標準有MIL-STD-750 方法1038、JESD22-A108、GJB 128A-1997 方法1038、AEC-Q101表2 B1項等。各類標準從試驗溫度、反偏電壓電參數測試均做出了明確的定義,而試驗方法、原理均差別不大,其中,以車規的要求最為嚴苛,在模擬最高結溫工作狀態下,100%的反偏電壓下運行1000h。
對于SiC功率器件而言,其最大額定結溫普遍在175℃以上,而反偏電壓已超過650V,更高的溫度、更強的電場加速鈍化層中可移動離子或雜質的擴散遷移,從而提前發現器件異常,較大程度地驗證器件的可靠性。
美軍標和車規標準高溫反偏試驗條件的對比
標準 | 試驗溫度 | 試驗電壓 | 試驗時長 |
MIL-STD-750-1 M1038 | 150℃ | 80%×BV | 160小時 以上 |
AEC-Q101 | Tjmax (175℃) | 100%×BV | 1000小時 以上 |
3、SiC功率器件高溫反偏試驗的過程監控
Si基的二極管高溫漏電流一般在1~100μA,而SiC二極管高溫反偏試驗過程漏電流通常比較小,為0.1~10μA級別。如果器件存在缺陷,漏電還會隨著時間的推移而逐漸上升。這需要有實時的、較高精度的漏電監控系統,提供整個試驗周期漏電流的監控數據以觀察器件的試驗狀態。
4、如何通過高溫反偏試驗?
高溫反偏試驗主要考察器件的材料、結構、封裝可靠性,可反映出器件邊緣終端、鈍化層、鍵合(interconnect)等結構的弱點或退化效應。因此,功率器件是否能通過高溫反偏試驗,應從產品設計階段考慮風險,綜合考量電場、高溫對材料、結構、鈍化層的老化影響。以實際應用環境因素要求一體化管控材料選型、結構搭建設計,提升良品率。