1200V SiC MOSFET的二極管可靠性研究

在 PCT 期間，當(dāng) DUT 開啟時(shí)，由于電流從漏極流向源極，DUT 溫度會(huì)升高(圖 1a)。當(dāng) DUT 關(guān)閉時(shí)，通過從源極到漏極的感測電流測量體二極管壓降。通過應(yīng)用圖 1b 中所示的 V SD -T 校準(zhǔn)曲線，可以在知道體二極管壓降的情況下估算結(jié)溫 T J 。

(a) PCT 程序 - (b) VSD-T 校準(zhǔn)曲線。

圖 1：(a) PCT 程序 – (b) V SD -T 校準(zhǔn)曲線

根據(jù)文獻(xiàn) [5]，在測量階段應(yīng)使用負(fù)柵極電壓。通常情況下，感測電流小于 200 mA，這可以防止在溫度測量階段自熱，也可以擺脫封裝相關(guān)劣化的影響。

調(diào)查中使用的設(shè)備

為了完成對(duì) PCT 相關(guān)體二極管可靠性的比較研究，選擇了不同的商用 SiC MOSFET(見表 I)。將進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)表征以查詢體二極管特性。 DUT 的關(guān)鍵參數(shù)。

表 I：DUT 的關(guān)鍵參數(shù)

在靜態(tài)表征階段，體二極管正向電壓 V SD與 T J特性的關(guān)系是通過曲線跟蹤器和帶有氣壓熱流的氣候室確定的，施加負(fù)柵極電壓 V GS = -5V。

對(duì)于靜態(tài) I D -V SD測量，將溫度傳感器放置在與 DUT 接觸的位置以測量確切的外殼溫度，該溫度以 15°C 的間隔從 25°C 逐漸變化到 130°C。由于 MOSFET 的 V SD的反向壓降與溫度有關(guān)，并且在低電流 (200mA) 和高電流 (800mA) 下都表現(xiàn)出很強(qiáng)的線性，圖 2 和圖 3 表明該壓降是TJ測量的良好候選者。 所有供應(yīng)商在 200 mA 時(shí)的 VSD-T 曲線。

圖 2：所有供應(yīng)商在 200 mA 時(shí)的V SD -T 曲線 所有供應(yīng)商的 VSD-T 曲線均為 800 mA。

圖 3：所有供應(yīng)商在 800 mA 時(shí)的V SD -T 曲線

為了測量開關(guān)參數(shù)和評(píng)估DUT的動(dòng)態(tài)行為，使用了雙脈沖測試方法。設(shè)置如圖 4 所示。三個(gè) IsoVu 探頭用于使用平面分布式分流方法測量 V GS、V DS和 I DS 。 雙脈沖測試裝置。

圖 4：雙脈沖測試設(shè)置

通過該測試，可以測量反向恢復(fù)時(shí)間 (trr) 和峰值反向恢復(fù)電流 (Irrm) 等動(dòng)態(tài)特性。這些參數(shù)是在限制帶寬 200 MHz 時(shí)測得的，如圖 5 所示。 開啟時(shí)的 ID 波形。

圖 5：開啟時(shí)的I D波形

測試條件

為了檢驗(yàn) SiC MOSFET 在功率循環(huán)測試下的可靠性，對(duì)每個(gè) DUT 的體二極管進(jìn)行了壓力測試。為防止亞閾值效應(yīng)，保證MOS通道完全夾斷，測試時(shí)采用了-5V的柵源電壓。每個(gè)制造商的總共三個(gè) DUT 在以下測試條件下測試約 50 小時(shí)：

I SD1 =200mA，外殼溫度=130°C

I SD2 =800mA，外殼溫度=130°C I SD3 =2A，外殼溫度=130°C

圖 6 顯示了每次測試的結(jié)果。如圖所示，來自不同制造商的 DUT 表現(xiàn)出不同的行為。正向壓降 V SD在壓力測試后有所增加，同時(shí)振蕩也表現(xiàn)出輕微的偏移。

不同負(fù)載電流下的壓力測試結(jié)果。

圖6：不同負(fù)載電流下的壓力測試結(jié)果

以上結(jié)果表明，在相同的測試條件下，平面SiC MOSFET體二極管的浪涌可靠性優(yōu)于溝槽SiC MOSFET體二極管。

圖7和圖8分別為Rohm和Infineon DUT測試前后的V SD -T校準(zhǔn)曲線。對(duì)于英飛凌的 DUT，在 2A 應(yīng)力和 800mA 感應(yīng)電流的情況下，Tj 差異可高達(dá)約 18°C，而在 200mA 應(yīng)力和 200mA 感應(yīng)電流的情況下，Tj 差異可低至約 3°C。對(duì)于 Rohm 的 DUT，只有 DUT3 的 V SD -T 曲線顯示出明顯的偏移，Tj 差異約為 10°C。由于這種影響，溫度估計(jì)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，從而提供不準(zhǔn)確的壽命估計(jì)。 Rohm 的 DUT 在壓力測試前后的 VSD-T 曲線。

圖 7：Rohm 的 DUT 在壓力測試前后的V SD -T 曲線 壓力測試前后英飛凌 DUT 的 VSD-T 曲線。

圖 8：壓力測試前后英飛凌 DUT 的V SD -T 曲線

對(duì) Rohm、Infineon 和 STMicroelectronics 的 DUT 進(jìn)行了 2A 應(yīng)力的雙脈沖測試。根據(jù)圖 6，這三個(gè) DUT 在 2A 應(yīng)力的情況下顯示 VSD 顯著增加。對(duì)于所有 DUT，反向恢復(fù)峰值和總反向恢復(fù)電荷在 2A 應(yīng)力后顯著降低。

低側(cè)開關(guān)的導(dǎo)通電流波形如圖 9 所示。很明顯，在 2A 的壓力下，所有 DUT 的反向恢復(fù)峰值和總體反向恢復(fù)電荷都低得多。 2A 壓力測試前后體二極管的反向恢復(fù)。

圖 9：2A 壓力測試前后體二極管的反向恢復(fù)

結(jié)論

當(dāng) DUT 的體二極管開始退化時(shí)，電壓降 V SD總是可以被認(rèn)為是退化指示，因?yàn)樗@示上升趨勢。

但是，長期的壓力和高溫可能會(huì)導(dǎo)致 V SD -T 校準(zhǔn)曲線上升。在體二極管正向應(yīng)力測試下，對(duì)來自六家不同制造商的商用 1200 V SiC MOSFET(其中兩家采用溝槽柵極結(jié)構(gòu)，四種采用平面柵極結(jié)構(gòu))進(jìn)行了檢查。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著 V SD的增加和反向恢復(fù)電流峰值的降低，雙極退化。當(dāng)應(yīng)用于具有柵極溝槽結(jié)構(gòu)的 DUT 時(shí)，效果似乎更明顯。在相同的測試條件下，V SD -T 技術(shù)中平面 SiC MOSFET 的體二極管比溝槽 SiC MOSFET 更可靠。

審核編輯：湯梓紅