使用Simcenter全面評(píng)估SiC 器件的特性——Simcenter為熱瞬態(tài)測(cè)試和功率循環(huán)提供全面支持

內(nèi)容摘要

傳統(tǒng)的硅金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 具有成熟的技術(shù)和低廉的成本，在中壓和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 高壓功率電子器件中占主導(dǎo)地位。使用碳化硅等具有高電離能的新型寬帶隙材料，可以制造出具有快速開(kāi)關(guān)時(shí)間和超過(guò)1,000伏擊穿電壓的經(jīng)典MOSFET器件。此外，它們能夠承受高溫，確保穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命。新的材料需要新的測(cè)試技術(shù)，尤其是在熱瞬態(tài)測(cè)試領(lǐng)域，更需要良好的方法來(lái)檢查設(shè)備完整性、識(shí)別設(shè)備故障機(jī)制以及確定熱阻。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，Siemens Digital Industries Software改進(jìn)Siemens MicReD Power Tester，提供了一套符合新測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的新型測(cè)試方法。

序言

近幾十年來(lái)，設(shè)備尺寸隨著功率水平和功率密度的不斷提高而不斷縮小，使得功率電子器件的熱測(cè)試變得至關(guān)重要。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，西門(mén)子綜合利用其在器件物理和測(cè)試設(shè)備制造方面的深厚知識(shí)，開(kāi)發(fā)了一套符合新測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的新型方法。1,2這些知識(shí)的精髓已經(jīng)發(fā)表在近期的一本書(shū)中。3直到近期，包括二極管、MOSFET和IGBT在內(nèi)的硅器件仍在功率電子器件中占主導(dǎo)地位。為了理解相關(guān)的測(cè)試原理，我們需要研究它們的溫度相關(guān)特性。

圖1（左）顯示了典型的高壓垂直導(dǎo)電MOSFET剖視圖，圖2（右）顯示了該器件的近似等效電路。當(dāng)柵-源電壓 (VGS) 達(dá)到特性Vth閾值電壓時(shí)，導(dǎo)電通道出現(xiàn)在N+源和N–外延層之間，然后隨著VOV=VGS–Vth“過(guò)驅(qū)動(dòng)”電壓以近似二次方式增長(zhǎng)。

圖1.高壓垂直導(dǎo)電MOSFET（左）和IGBT器件（右）的簡(jiǎn)化剖視圖。3

圖2.高壓垂直導(dǎo)電 MOSFET（左）和 IGBT 器件（右）的等效電路。3

通道的Rch電阻可以通過(guò)適當(dāng)?shù)募夹g(shù)配置進(jìn)行合理的編程。然而，在高壓晶體管中，外延層必須較厚并且有稀疏的摻雜，才能承受OFF狀態(tài)下的高阻斷電壓。這樣它可以形成一個(gè)較長(zhǎng)的耗盡區(qū)域，使其中的電場(chǎng)（電壓和長(zhǎng)度的比值）不超過(guò)材料的介電強(qiáng)度。

在ON狀態(tài)下，N–層會(huì)向器件的總RDSON電阻添加一個(gè)額外的Repi電阻，這將在處于工作電流下的MOSFET中導(dǎo)致較高的VD,on=VDS(ID)壓降，即使處于較高的VOV過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓也是如此。

為了提高器件的開(kāi)關(guān)效率并避免器件因?yàn)楦邠p耗而過(guò)熱，在IGBT器件中，在MOSFET之外集成了一個(gè)共源共柵雙極晶體管；該晶體管在ON狀態(tài)下將注入大量可移動(dòng)載流子：圖1（左）和圖2（右）。雙極PNPN結(jié)構(gòu)會(huì)造成外延電阻短路，VON電壓由上方PNP晶體管的Vsat飽和電壓而不是由半導(dǎo)體中的串聯(lián)電阻決定。在硅材料中，Vsat約為二極管的典型正向電壓范圍（0.8V至1.0V）。

該解決方案的缺點(diǎn)是運(yùn)行緩慢。在MOSFET中，通道中的電子能夠以皮秒為單位退回到源極，而IGBT則需要經(jīng)過(guò)雙極基極中兩種電荷載流子類型的長(zhǎng)時(shí)間復(fù)合后才能關(guān)閉。

隨著碳化硅 (SiC) 器件的出現(xiàn)，不再需要以上妥協(xié)并實(shí)現(xiàn)了更好的性能。在這些材料中，需要更高的能量才能從半導(dǎo)體晶體晶格中剝離電子并使其可以移動(dòng)，這一能量高于三個(gè)電子伏特，是硅 (Si) 的三倍多。

這種電離能被稱為“帶隙”。它的一項(xiàng)較高價(jià)值在于，它會(huì)帶來(lái)許多有利的特性。例如，在介電強(qiáng)度方面，SiC 器件會(huì)在2千瓦 (kV)時(shí)擊穿10μm距離，而Si器件會(huì)在200V時(shí)擊穿。在相同溫度下，半導(dǎo)體中的電離原子數(shù)要低得多，因此SiC器件可以在500攝氏度 (oC) 下工作，而Si的極限只有200oC。在實(shí)際使用中，工作溫度受到封裝材料的限制。

借助于SiC器件，MOSFET的高速、低損耗和高效率優(yōu)勢(shì)可以擴(kuò)展到更高的工作電壓和溫度。因此，它們現(xiàn)在在三相逆變器、AC-DC或DC-DC轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字電源等方面得到了廣泛應(yīng)用。4,5,6

盡管SiC器件與硅器件之間存在相似之處，但這種新材料為測(cè)試解決方案帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，例如熱特性測(cè)試和功率循環(huán)可靠性測(cè)試。

先進(jìn)的熱特性和功率循環(huán)

近幾十年來(lái)，熱瞬態(tài)測(cè)試已成為封裝半導(dǎo)體器件熱特性分析中廣為采用的一種方法。

Simcenter T3STER 硬件和軟件解決方案是市場(chǎng)領(lǐng)先的熱瞬態(tài)測(cè)試實(shí)施方案。它提供標(biāo)準(zhǔn)的熱指標(biāo)（結(jié)到殼、結(jié)到板、結(jié)到環(huán)境等），能夠檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷并優(yōu)化熱流路徑中的材料選擇。該技術(shù)的獨(dú)特之處在于，它有助于為熱仿真生成和校準(zhǔn)模型。

1.1.熱瞬態(tài)測(cè)試

在熱瞬態(tài)測(cè)試中，記錄了系統(tǒng)（半導(dǎo)體芯片）中最熱的點(diǎn)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間的溫度變化。

到目前為止指出的所有特性器件參數(shù)（例如MOSFET中的Vth和RDSON、IGBT中的Vsat等）都與溫度有關(guān)，因此它們可以用作熱測(cè)試中的溫度敏感參數(shù) (TSP)。在合適的偏差下，可以校準(zhǔn)選定的參數(shù)，這意味著可以確定參數(shù)值與恒溫環(huán)境溫度之間的明確映射。

圖3.Si MOSFET的輸出特性。

在熱瞬態(tài)測(cè)試中，通過(guò)施加的電負(fù)載將組件加熱到熱穩(wěn)態(tài)。隨后，在突然關(guān)閉加熱后，可以捕獲芯片的電參數(shù)變化。最后，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換回溫度，使用數(shù)學(xué)算法對(duì)熱瞬態(tài)進(jìn)行處理，以識(shí)別時(shí)間常數(shù)并生成等效的分布電阻電容 (RC) 模型。

傳統(tǒng)的熱瞬態(tài)測(cè)試在硅MOSFET源極和漏極之間的反向體二極管（圖1中的紅色二極管）上執(zhí)行。在這些器件中，當(dāng)VGS=0V（柵極連接到源極）時(shí)，只有很小的閾下電流流過(guò)通道。在使用Idrive驅(qū)動(dòng)電流加熱期間，功率會(huì)受到限制，因?yàn)?VF正向電壓保持在1V以下。在低Isense感應(yīng)電流下，可以用約–2mV/K的靈敏度來(lái)記錄瞬態(tài)。

對(duì)于三極組件，可以通過(guò)適當(dāng)控制柵極引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的加熱和感應(yīng)選項(xiàng)。

圖3顯示了一個(gè)MOSFET的輸出特性（這是SEMIKRON SK280MB10模塊中的一個(gè)晶體管）。7該圖顯示了ID漏極電流在幾個(gè)固定VGS柵-源電壓值下隨VDS漏-源電壓的增加而發(fā)生的變化。

可以觀察到，當(dāng)漏極電流為240A時(shí)，VD,on電壓在25oC下為0.26V，在150oC 時(shí)為0.48V。RDSON 通道電阻在兩種溫度下均可計(jì)算為VDS/ID，并且具有正溫度系數(shù)。

然而，除了圖表中因芯片溫度變化而引起的可逆偏移外，劣化機(jī)制也會(huì)改變器件特性。

該圖顯示了使用RDSON作為T(mén)SP的局限性，其變化僅為約0.9mΩ。即使高 Isense=1A電流下，當(dāng)溫度升高125°C時(shí)，TSP的變化也僅為0.9mV。

將柵極連接到漏極并施加一個(gè)小的正Isense后，VGS=VDS電壓略高于器件的Vth 閾值電壓。因溫度而引起的Vth變化的理論值略大于–4mV/K。圖3表明，Vth高于4V，在相同的Idrive電流下，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于體二極管的耗散。但是，由于溫度系數(shù)為負(fù)，器件中可能會(huì)形成熱點(diǎn)，這可能在高功率水平下導(dǎo)致?lián)p壞。

Simcenter T3STER和Simcenter MicredTMPower Tester提供了以上所有選項(xiàng)來(lái)測(cè)量二極管、MOSFET或IGBT，可以適用任何器件和應(yīng)用。Simcenter是 Siemens Xcelerator這一軟硬件和服務(wù)業(yè)務(wù)平臺(tái)的一部分。

1.2.功率循環(huán)

有功功率循環(huán) (APC) 是一種重要的可靠性測(cè)試方法，該方法通過(guò)在器件中開(kāi)關(guān)高電流來(lái)檢查半導(dǎo)體元件的劣化機(jī)制。通過(guò)重復(fù)功率循環(huán)直到組件發(fā)生故障，可以繪出器件的壽命曲線。

圖4.Simcenter Micred Power Tester。

Simcenter Micred Power Tester（圖 4）提供了一種獨(dú)特的解決方案，綜合利用了有功功率循環(huán)和熱瞬態(tài)測(cè)試。該自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)按用戶定義的周期數(shù)定期中斷功率循環(huán)并測(cè)量熱瞬態(tài)。熱瞬態(tài)數(shù)據(jù)序列揭示了內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)從熱芯片開(kāi)始在整個(gè)熱流路徑中的變化。系統(tǒng)可以識(shí)別不同的層，如芯片貼裝、基板焊接或熱界面材料 (TIM)，并監(jiān)測(cè)其退化的傳播情況。

通過(guò)使用Simcenter T3STER，以20°C甚至更低的TJ結(jié)溫變化就足以達(dá)到良好的信噪比。

與之相比，在功率循環(huán)期間，施加的加熱功率必須足夠高，才能達(dá)到或超過(guò)所需的溫度擺動(dòng)值以捕獲數(shù)據(jù)并創(chuàng)建壽命曲線。通常，要進(jìn)行相關(guān)的壽命估算，不會(huì)超過(guò)額定電流，并且負(fù)載條件必須類似于正常運(yùn)行條件。

除了其他的供電和感應(yīng)選項(xiàng)外，該功率測(cè)試儀還為MOSFET器件提供了組合測(cè)試設(shè)置，可以加熱導(dǎo)電通道并使用體二極管測(cè)量溫度。該方法也是ECPE AQG-324 指南2推薦的方法，該指南被廣泛接受用于功率模塊測(cè)試，并對(duì)功率循環(huán)測(cè)試提供了詳細(xì)的建議。

圖5.組合測(cè)試裝置、加熱通道、體二極管上的溫度測(cè)量。

測(cè)量設(shè)置的方案如圖5所示。對(duì)于加熱，在晶體管上施加一個(gè)標(biāo)稱VGS以使其通電(ON)，并在漏極上施加Idrive。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，VGS變?yōu)?V，體二極管上的VF正向電壓記錄為負(fù)Isense。由器件通道上的導(dǎo)通損耗而產(chǎn)生的熱與實(shí)際應(yīng)用一致，但確保了溫度測(cè)量的高靈敏度。為了獲得可比較的測(cè)試結(jié)果，不應(yīng)一直運(yùn)行功率循環(huán)直到組件發(fā)生災(zāi)難性故障；相反，必須定義適當(dāng)?shù)墓收蠘?biāo)準(zhǔn)。只要達(dá)到其中任意一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)就將停止。

在 Simcenter Micred Power Tester 中，所有主要監(jiān)測(cè)參數(shù)的停止標(biāo)準(zhǔn)都可以定義為絕對(duì)值或百分比變化。這些停止標(biāo)準(zhǔn)包括：

?最大（和最?。┩☉B(tài)電壓 (VDS,on)

?熱阻 (Rth)

?最大結(jié)溫變化 (ΔTj,max)

?最大通道電阻 (RDSON)

ECPE AQG-324指南定義了兩個(gè)主要的故障標(biāo)準(zhǔn)，即VDS,on上升或結(jié)到殼/結(jié)到散熱器熱阻上升。詳細(xì)的定量限值請(qǐng)見(jiàn)參考資料2。

SiC MOSFET器件熱測(cè)試中的挑戰(zhàn)和解決方案

盡管SiC和Si器件有許多共同特點(diǎn)，但需要特別注意幾個(gè)重要差異以適應(yīng)經(jīng)典的測(cè)試方法。9

2.1.SiC MOSFET器件的熱瞬態(tài)測(cè)試

Si 和SiC MOSFET器件之間的某些差異會(huì)影響熱瞬態(tài)測(cè)試和功率循環(huán)方法，而其他差異僅與功率循環(huán)有關(guān)。在本節(jié)中，我們列出了兩者中影響TSP實(shí)現(xiàn)的因素。

圖6.使用不同于參考資料 3 的 VGS 所測(cè)得的體二極管的“準(zhǔn)溫度”。

電荷積聚：在SiC MOSFET中，該效應(yīng)通常發(fā)生在半導(dǎo)體柵極的氧化物表面（如圖 1 所示）。Vth中引發(fā)的時(shí)變變化可能會(huì)干擾瞬態(tài)測(cè)量，因此應(yīng)謹(jǐn)慎使用與TSP相關(guān)的閾值電壓，例如MOS二極管電壓。5,8,9

寄生電流：由于閾下電流較高，在體二極管上測(cè)量溫度時(shí)，必須使用負(fù)VGS以抑制通道中的并聯(lián)電流。3,9

圖 6 顯示了當(dāng)VGS=0V、–2.5V、–5V 和 –6V 時(shí)SiC MOSFET中體二極管上的VF正向電壓變化。豎軸按照“準(zhǔn)溫度”（電壓變化乘以TSP）進(jìn)行縮放以更好地比較早期階段中的瞬態(tài)信號(hào)。

可以觀察到，對(duì)于實(shí)際器件，VGS=–5V 和–6V時(shí)的瞬變幾乎相同，因此似乎沒(méi)必要進(jìn)一步降低柵-源電壓。

在+20到–10V的范圍內(nèi)，Simcenter Micred Power Tester中的柵極驅(qū)動(dòng)電路有助于使用正負(fù)VGS的測(cè)量方法。

體二極管上的高正向電壓：SiC 二極管上的VF正向電壓在處于Isense時(shí)可能已經(jīng)高于3V，而且在處于Idrive時(shí)可能更高。當(dāng)體二極管上發(fā)生加熱和感應(yīng)時(shí)，或是對(duì)于圖5的組合測(cè)試方案，這可能是一個(gè)障礙。

Simcenter Micred Power Tester 是專用于測(cè)量更多串聯(lián)MOSFET器件鏈路的測(cè)試儀。經(jīng)過(guò)新近的開(kāi)發(fā)，該系統(tǒng)將Isense的電壓范圍擴(kuò)展到±12V，允許串聯(lián)多達(dá)四個(gè)最大壓降為3V的器件，例如兩個(gè)半橋。

感應(yīng)電壓尖峰：在功率循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中，寄生電線電感無(wú)法像在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備中那樣得到徹底優(yōu)化。在幾百安培的電流下，會(huì)存儲(chǔ)大量的感應(yīng)能，當(dāng)加熱電流關(guān)閉后，可能需要幾十微秒才能放電（耗散）。在圖5的測(cè)試方案中，還必須開(kāi)關(guān)柵極電壓。如果在正漏極電流仍在流動(dòng)時(shí)執(zhí)行此開(kāi)關(guān)操作，由此產(chǎn)生的高電壓峰值可能會(huì)影響器件壽命，甚至可能損害測(cè)試系統(tǒng)。

圖 7.功率 MOSFET 的初始電壓變化，藍(lán)色為使用 16 μs 的柵極電壓延遲，紅色為不使用柵極電壓延遲。

為保護(hù)兩者，可以在不同時(shí)間開(kāi)關(guān)Idrive 和VGS。

通過(guò)測(cè)試儀的控制功能，用戶可以選擇所需的柵極電壓開(kāi)關(guān)延遲，從而在系統(tǒng)保護(hù)和電氣瞬態(tài)長(zhǎng)度之間找到更好的平衡。

圖 7 顯示了SiC MOSFET(MD120HFR120C2S)在10A驅(qū)動(dòng)電流和-1A感應(yīng)電流下的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。在這些電流下執(zhí)行的試驗(yàn)表明，16μs的柵極電壓延遲消除了開(kāi)關(guān)期間的電壓峰值。

除了上述的主動(dòng)電壓尖峰保護(hù)外，為了提高SiC MOSFET測(cè)試性能，還改進(jìn)了測(cè)試儀輸入端的過(guò)壓保護(hù)。

2.2.SiC MOSFET 器件的功率循環(huán)

功率循環(huán)中的一項(xiàng)主要停止標(biāo)準(zhǔn)與高電流下器件中的電壓增加有關(guān)，表示為 VD,on和RDSON。

在許多情況下，VD,on的增加表示連接漏極和源極的鍵合線的直接退化或其他相關(guān)劣化機(jī)制。然而，導(dǎo)熱路徑劣化（芯片貼裝分層、碎裂等）造成的芯片溫度升高也可能導(dǎo)致較高的RDSON。在SiC MOSFET器件中，VDS,on在 Idrive電流下大致與RDSON成正比，因此其與溫度相關(guān)的增長(zhǎng)高于IGBT Vsat飽和電壓的增長(zhǎng)。因此，這種可逆性增長(zhǎng)可以主導(dǎo)測(cè)量的VD,on，導(dǎo)致提前停止測(cè)試程序并低估實(shí)際壽命。

AQG-324的附錄 III（第 14 頁(yè)）提到了定義和監(jiān)控額外的冷態(tài)器件電壓 (VDS,on,cold) 參數(shù)以避免因溫度變化而提前停止循環(huán)。不過(guò)，該指南允許用戶自由定義VDS,on,cold參數(shù)。

使用Simcenter Micred Power Tester可以獲得兩種替代解決方案。

開(kāi)始加熱時(shí)測(cè)得的通態(tài)電壓：在加熱階段開(kāi)始時(shí)測(cè)量Von,cold參數(shù)。要獲得精確時(shí)間，必須考慮到由開(kāi)關(guān)電源提供高負(fù)載電流，并且電流在一定調(diào)節(jié)時(shí)間后穩(wěn)定（這取決于設(shè)定的電流水平和負(fù)載上的電壓）。

用戶設(shè)置相對(duì)于開(kāi)啟瞬間的適當(dāng)時(shí)間延遲，使該時(shí)間既足以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，又足以盡量降低升高的溫度。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是它適用于正常的循環(huán)條件，因此在每個(gè)循環(huán)中都能捕獲 Von,cold。然而，在加熱電流穩(wěn)定在所需的設(shè)定水平之前，其精度會(huì)受到溫度升高的限制。

降低負(fù)載電流時(shí)測(cè)得的通態(tài)電壓：Von, LP參數(shù)在降低的加熱電流水平下捕獲。加熱功率隨加熱電流而二次減??；負(fù)載電流降低10倍會(huì)使負(fù)載電壓降低10倍，而耗散和溫度變化會(huì)降低100倍。該參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)正確選擇測(cè)試電流，可以很好地控制溫度變化的影響，但它需要在測(cè)試流程中插入特殊的測(cè)試周期，從而限制了監(jiān)測(cè)的時(shí)間分辨率。

在Simcenter Micred Power Tester中，上文所定義的兩個(gè)參數(shù)都可用作循環(huán)停止標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

新型半導(dǎo)體材料的引入極大地改變了功率電子器件的世界。SiC廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、牽引、功率轉(zhuǎn)換以及其他應(yīng)用。這種半導(dǎo)體的寬帶隙（高電離能）特性可在高溫和高介電強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)較低的載流子濃度，將快速M(fèi)OSFET器件的使用擴(kuò)展到高溫、高電壓和高頻范圍。為了應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)，測(cè)試設(shè)備制造商開(kāi)發(fā)了新的測(cè)試概念，包括使用功率循環(huán)來(lái)執(zhí)行熱特性和可靠性測(cè)試。

半導(dǎo)體芯片是各種設(shè)備中的一大熱點(diǎn)。在熱瞬態(tài)測(cè)試和大多數(shù)功率循環(huán)解決方案中，使用芯片與溫度相關(guān)的電氣參數(shù)來(lái)捕獲溫度變化。

在MOSFET結(jié)構(gòu)中，體二極管是常用的傳感器。在SiC器件中，電荷捕獲可能導(dǎo)致瞬態(tài)信號(hào)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間變化；此外，寄生電流在器件通道中以零柵極電壓流動(dòng)。在測(cè)試和正常運(yùn)行期間，負(fù)柵極電壓可以抑制這些影響。

為了在瞬態(tài)測(cè)量中達(dá)到適當(dāng)?shù)母吖β?，并在循環(huán)測(cè)試中應(yīng)用真實(shí)的負(fù)載條件，通常在通道電阻處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)進(jìn)行晶體管加熱。當(dāng)冷卻開(kāi)始時(shí)，需要開(kāi)關(guān)加熱電流和柵極電壓。通過(guò)合理分隔兩個(gè)開(kāi)關(guān)事件并恰當(dāng)控制時(shí)間，可以防止電壓峰值損壞測(cè)試樣品和測(cè)試系統(tǒng)。

在可靠性測(cè)試中，所有器件類型的一個(gè)壽命終止標(biāo)準(zhǔn)是在高電流下出現(xiàn)通態(tài)電壓增加。這主要表明了封裝內(nèi)部的電氣互聯(lián)出現(xiàn)退化，但器件溫度也會(huì)影響該參數(shù)。在SiC 器件中，熱效應(yīng)可能占主導(dǎo)地位，因此需要引入新的監(jiān)測(cè)參數(shù)。在加熱之前或處于低電流時(shí)，執(zhí)行額外的通態(tài)電壓測(cè)量有助于區(qū)分溫度升高和結(jié)構(gòu)退化。

使用Simcenter Micred Power Tester，您可以針對(duì)所有上述需求實(shí)施解決方案，為SiC組件測(cè)試提供全面支持。