当前,SiC全球产业布局上,形成美、欧、日三强态势,但与第一代、第二代半导体材料相比,全球第三代半导体产业均还在发展初期,国内与主流SiC产业差距不大,为国产三代半产业提供了弯道超车、打入半导体元器件高端产业链的机会。目前,SiC产业普遍遇到的问题是良率低、成本高的瓶颈,而对于国产器件,一致性和可靠性也是其市场应用的拦路虎,要获取市场信任与认可,可靠性验证是必经之路。验证SiC功率器件高温与高压下的模拟寿命,可采用高温反偏(HTRB)作为基础的验证试验。
1、高温反偏试验的作用
高温反偏试验是模拟器件在静态或稳态工作模式下,以最高反偏电压或指定反偏电压进行工作,以研究偏置条件和温度随时间对器件的寿命模拟。甚至一些厂商还会将其作为一筛或二筛的核心试验。
2、高温反偏的试验条件
分立器件的高温反偏主要采用的试验标准有MIL-STD-750 方法1038、JESD22-A108、GJB 128A-1997 方法1038、AEC-Q101表2 B1项等。各类标准从试验温度、反偏电压电参数测试均做出了明确的定义,而试验方法、原理均差别不大,其中,以车规的要求最为严苛,在模拟最高结温工作状态下,100%的反偏电压下运行1000h。
对于SiC功率器件而言,其最大额定结温普遍在175℃以上,而反偏电压已超过650V,更高的温度、更强的电场加速钝化层中可移动离子或杂质的扩散迁移,从而提前发现器件异常,较大程度地验证器件的可靠性。
美军标和车规标准高温反偏试验条件的对比
标准 | 试验温度 | 试验电压 | 试验时长 |
MIL-STD-750-1 M1038 | 150℃ | 80%×BV | 160小时 以上 |
AEC-Q101 | Tjmax (175℃) | 100%×BV | 1000小时 以上 |
3、SiC功率器件高温反偏试验的过程监控
Si基的二极管高温漏电流一般在1~100μA,而SiC二极管高温反偏试验过程漏电流通常比较小,为0.1~10μA级别。如果器件存在缺陷,漏电还会随着时间的推移而逐渐上升。这需要有实时的、较高精度的漏电监控系统,提供整个试验周期漏电流的监控数据以观察器件的试验状态。
4、如何通过高温反偏试验?
高温反偏试验主要考察器件的材料、结构、封装可靠性,可反映出器件边缘终端、钝化层、键合(interconnect)等结构的弱点或退化效应。因此,功率器件是否能通过高温反偏试验,应从产品设计阶段考虑风险,综合考量电场、高温对材料、结构、钝化层的老化影响。以实际应用环境因素要求一体化管控材料选型、结构搭建设计,提升良品率。