可扩展的测试系统 | 在极端dV/dt条件下评估多款SiC MOSFET

近年来，功率半导体市场见证了碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）在汽车、太阳能逆变器以及广泛工业电源应用中的加速采用。推动SiC MOSFET迅速普及的主要因素之一是其单极物理特性，这使得器件能够实现快速开关，进而显著提升系统效率。为了追求更高的系统性能，提高SiC MOSFET的开关频率与速度往往成为系统设计阶段评估的关键折衷参数。
 

然而，对于半导体设计者而言，理解技术与工艺设计对器件复杂系统级动态应力的可靠性影响是难以预测的。由JEDEC或AEC-Q101等机构规定的标准资格认证和可靠性测试，如高温度反偏测试（HTRB）和高温度门极偏置测试（HTGB），仅施加于器件的稳态操作，并被用来加速响应特定物理机制或器件区域。在典型的使用条件下，器件会经历间歇性和动态应力，包括大电流、高温、快速瞬变，这些瞬态应力同时出现在栅极和漏极节点上，可能导致新的退化机制或失效模式。
 

对于SiC MOSFET，多年来关于栅氧质量的问题已被反复报道。与硅MOSFET相比，固有的SiC/SiO2界面存在更多的陷阱，这可能会导致阈值电压漂移、迟滞现象，甚至在稳态环境下出现故障。在快速重复的动态操作中，研究已显示出更为复杂的退化现象，包括氧化物界面和内部体二极管。
 

正如前文所述，电路设计人员正在推动电力电子设备向更高频率发展以增加效率。这通常会导致更高的Vds dV/dt（漏源电压变化率）。早期的SiC二极管在极端dV/dt条件下展现出失效模式，但对于SiC MOSFET在重复dV/dt条件下的长期稳定性，鲜有研究结果。为了确保在广泛的dV/dt条件下实现可靠性，一个合适的可靠性测试系统应当具备以下能力：能够对正向工作模式及MOSFET体二极管的反向恢复进行应力测试，轻松调整dV/dt，维持恒定的结温Tj，并具有可扩展性，适用于大量样本测试以生成统计数据。

系统概述
 

根据G. Sheh在“大规模测试平台：用于模拟真实工作电压和电流应力的SiC二极管和MOSFET在电路可靠性测试”一文中概述的方法，评估开关可靠性可以通过两种不同的途径实现：应用层面测试系统或测试载体电路。在本研究中，我们选择了一种可扩展的测试载体，该载体能够对碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）在各种工作条件下进行评估，包括温度、电压、电流、开关速度和开关频率。图1展示了AOS dv/dt应力测试系统。一个应力测试系统包含驱动模块和控制若干子系统板同时运行的组件。

图1｜dv/dt应力测试系统

为了降低测试系统的功耗，我们采用了带有能量回收的拓扑结构。这种设计使得从负载回收的能量得以循环利用，提高了效率。图2展示了一个可扩展测试装置的图片，该装置能同时对多个器件施加10V/ns和150V/ns的不同应力水平。由于电路相对简单，可以轻松调整电流，以模拟极端使用条件下的应用案例，比如在栅极和源极之间出现极端负向开关尖峰。 

图2｜系统在不同dV/dt下同时验证测试多个器件

图3 展示了在开关瞬变期间对栅极重复施加-15V应力的测试，这显示了我们能够调节栅极应力及dV/dt的能力。图4则呈现了在150V/ns开关应力下，开关波形的情况。

图3｜待验证MOSFET的开关波形

 
图4｜在150V/ns开关应力下的开关波形

为了减小子系统板的尺寸并简化冷却系统的设计，所有的碳化硅（SiC）MOSFET都被安装在一个高速风扇驱动的单个风洞散热器上。这套冷却系统功能强大，允许SiC MOSFET在高频率和大电流下工作。为了达到所需的结温，我们通过使用具有不同热阻的隔离片材料或厚度来调整从结(Junction)到散热器的总热阻。直接测量结温非常困难，因此根据芯片中心上方塑料封装壳体的温度来估算结温。图5展示了通过红外热像仪进行的热测量。基于经验，芯片中心上方塑料封装壳体的温度接近85℃，而结温则接近100℃。

图5｜使用红外热像仪对被测设备（DUT）进行的热测量

器件概述

图6展示了本次研究中测试的平面型碳化硅（SiC）MOSFET的剖面图。这些MOSFET具有标称阈值电压（VTH）为2.8V，典型的导通电阻（RDS,ON）范围从15毫欧至65毫欧，电压等级分别为750V和1200V。所有器件均属于经过AEC-Q101认证工艺。 

图6 | 测试用SiC MOSFET的剖面图 

实验结果

图7和图8则分别展示了在直流电压（VDC）为800V，连续电流（ID）为40A，结温（Tj）为100°C的条件下，对1200V/33毫欧SiC MOSFET进行20kHz开关操作超过1500小时后，阈值电压（VTH）、导通电阻（RDS,ON）、漏源饱和电流（IDSS）以及体二极管正向电压（VF）几乎无明显变化的结果。

图7｜硬开关MOSFET在10V/ns和150V/ns dV/dt条件下，长达1768小时的阈值电压（VTH）测量结果
 

图8｜反向恢复MOSFET，在10V/ns和150V/ns dV/dt条件下，长达1768小时的体二极管正向电压测量结果

结语

AOS于2019年推出可大批量生产的第二代1200V车规级/工规级aSiC MOSFET, 产品的导通内阻覆盖了从20mohm到500mohm的范围，涵盖了市场上各类相关应用；随后推出了750V/650V车规级/工规级aSiC MOSFET，导通内阻覆盖了15mohm到60mohm的范围，更广泛的涵盖了各种高效率高功率密度的电源应用，为客户提供高性能和高可靠性的解决方案。

目前AOS第二代aSiC MOSFET分立器件全线产品均符合AEC-Q101标准，能够为客户提供广泛的静态导通电阻以及多种封装选择。在产品规格上，提供了650V、750V、1200V和1700V耐压等级，15mΩ-1000mΩ导通电阻范围的产品，具有优异的开关损耗、雪崩能力、短路能力等特性。而以上测试数据也验证AOS可以为设计人员提供更先进的下一代半导体技术，以提高效率达成能效目标。