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SiC功率器件的概況

SiC（碳化硅）功率器件以其耐高溫、耐高壓、低開(kāi)關(guān)損耗等特性，能有效實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化、輕量化、高功率密度等要求，受到了新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的追捧。

在車(chē)用領(lǐng)域，SiC功率器件在能量轉(zhuǎn)換效率上的顯著優(yōu)勢(shì)，能有效增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和充電效率。另外，SiC器件的導(dǎo)通電阻更低、芯片尺寸更小、工作頻率更高，能夠使電動(dòng)汽車(chē)適應(yīng)更加復(fù)雜的行駛工況。隨著SiC良率的提升、成本的降低，SiC功率器件在新能源汽車(chē)上的裝機(jī)量會(huì)大幅上升，SiC功率器件的車(chē)用需求也會(huì)迎來(lái)跨越式發(fā)展。

當(dāng)前，SiC全球產(chǎn)業(yè)布局上，形成美、歐、日三強(qiáng)態(tài)勢(shì)，但與第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，全球第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)均還在發(fā)展初期，國(guó)內(nèi)與主流SiC產(chǎn)業(yè)差距不大，為國(guó)產(chǎn)三代半產(chǎn)業(yè)提供了彎道超車(chē)、打入半導(dǎo)體元器件高端產(chǎn)業(yè)鏈的機(jī)會(huì)。

國(guó)產(chǎn)SiC功率器件面臨的主要問(wèn)題

目前，SiC產(chǎn)業(yè)普遍遇到的問(wèn)題是良率低、成本高的瓶頸，而對(duì)于國(guó)產(chǎn)器件，一致性和可靠性也是其市場(chǎng)應(yīng)用的攔路虎，要獲取市場(chǎng)信任與認(rèn)可，可靠性驗(yàn)證是必經(jīng)之路。驗(yàn)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(chǔ)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

SiC功率器件的高溫反偏試驗(yàn)

1、高溫反偏試驗(yàn)的作用

高溫反偏試驗(yàn)是模擬器件在靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)工作模式下，以最高反偏電壓或指定反偏電壓進(jìn)行工作，以研究偏置條件和溫度隨時(shí)間對(duì)器件的壽命模擬。甚至一些廠商還會(huì)將其作為一篩或二篩的核心試驗(yàn)。

2、高溫反偏的試驗(yàn)條件

分立器件的高溫反偏主要采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有MIL-STD-750 方法1038、JESD22-A108、GJB 128A-1997 方法1038、AEC-Q101表2 B1項(xiàng)等。

各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)從試驗(yàn)溫度、反偏電壓電參數(shù)測(cè)試均做出了明確的定義，而試驗(yàn)方法、原理均差別不大，其中，以車(chē)規(guī)的要求最為嚴(yán)苛，在模擬最高結(jié)溫工作狀態(tài)下，100%的反偏電壓下運(yùn)行1000h。

對(duì)于SiC功率器件而言，其最大額定結(jié)溫普遍在175℃以上，而反偏電壓已超過(guò)650V，更高的溫度、更強(qiáng)的電場(chǎng)加速鈍化層中可移動(dòng)離子或雜質(zhì)的擴(kuò)散遷移，從而提前發(fā)現(xiàn)器件異常，較大程度地驗(yàn)證器件的可靠性。

美軍標(biāo)和車(chē)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)高溫反偏試驗(yàn)條件的對(duì)比

3、SiC功率器件高溫反偏試驗(yàn)的過(guò)程監(jiān)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(yàn)過(guò)程漏電流通常比較小，為0.1~10μA級(jí)別。如果器件存在缺陷，漏電還會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸上升。這需要有實(shí)時(shí)的、較高精度的漏電監(jiān)控系統(tǒng)，提供整個(gè)試驗(yàn)周期漏電流的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以觀察器件的試驗(yàn)狀態(tài)。

高溫反偏試驗(yàn)臺(tái)漏電流監(jiān)控界面

4、如何通過(guò)高溫反偏試驗(yàn)？

高溫反偏試驗(yàn)主要考察器件的材料、結(jié)構(gòu)、封裝可靠性，可反映出器件邊緣終端、鈍化層、鍵合（interconnect）等結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)或退化效應(yīng)。

因此，功率器件是否能通過(guò)高溫反偏試驗(yàn)，應(yīng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段考慮風(fēng)險(xiǎn)，綜合考量電場(chǎng)、高溫對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、鈍化層的老化影響。以實(shí)際應(yīng)用環(huán)境因素要求一體化管控材料選型、結(jié)構(gòu)搭建設(shè)計(jì)，提升良品率。