2023年12月5-7日，在美國舉行的第十屆 IEEE寬帶隙功率器件和應(yīng)用研討會 (WiPDA)上，行業(yè)專家討論了WBG功率器件/模塊特性和可靠性測試的最新進(jìn)展。本文將對會議重點(diǎn)做匯總，供各位專家參考！

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)寬帶隙 (WBG) 功率器件中實(shí)現(xiàn)的高開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換速率給在特定應(yīng)用條件下精確測量器件特性帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這些相對較新的設(shè)備的可靠性標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷發(fā)展。正在開發(fā)故障模式和加速測試條件定義，以創(chuàng)建測試指南。

WBG 功率半導(dǎo)體的靜態(tài)和動態(tài)特性

會議上，是德科技解決方案架構(gòu)師 Ryo Takeda全面概述了 WBG 器件靜態(tài)和動態(tài)特性分析中涉及的挑戰(zhàn)和解決方案。是德科技生產(chǎn)電子測試和測量設(shè)備及軟件。

1.靜態(tài)測量

器件導(dǎo)通電阻 (R DSON ) 等靜態(tài)測量通常是器件表征的第一步。使這些準(zhǔn)確的一些關(guān)鍵解決方案是：

• 使用開爾文連接可大大提高高電流測量期間的精度，或者當(dāng)被測設(shè)備 (DUT) 的阻抗遠(yuǎn)小于電纜的殘余電阻或測試電路的其他寄生電阻時。
• 此方法通過使用 4 線連接來工作，從而將電壓和電流連接分開。例如，如果使用獨(dú)立的電流源，則電壓表由于其固有的高輸入阻抗，可以實(shí)現(xiàn)精確的電壓測量，而在其路徑中的串聯(lián)電阻器中不會出現(xiàn)壓降。這里的指導(dǎo)原則是將感測端子連接到比力端子更靠近 DUT 的位置。
• 源測量單元 (SMU)：SMU 包括反饋電路，用于感測和控制電流或電壓的輸出。
• 此外，它們還包括多范圍設(shè)置，可提高給定測試條件的分辨率和準(zhǔn)確性。通常使用差分運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC 和 ADC）。這些 SMU 與開爾文連接一起使用，極大地改善了擊穿測量。
• 電壓合規(guī)性可在測試期間保護(hù)器件，并且使用電流掃描可在擊穿后進(jìn)行負(fù)電阻監(jiān)控。精確的范圍感應(yīng)有助于檢測擊穿前的低（亞納安）泄漏電流。圖 1 顯示了精確 R DSON測量的示例，其中該圖顯示了跨寬漏極電流 ID (0 – 300 A) 的穩(wěn)定測量結(jié)果。

• 使用保護(hù)環(huán)通過三軸電纜進(jìn)行低電流測量。這減少了漏電流，因?yàn)樗门c力/信號線電位相同的導(dǎo)電材料圍繞中心力/信號端子。
• 使用延遲或減去偏移可以克服在電壓應(yīng)用開始時絕緣材料上出現(xiàn)的電介質(zhì)吸收電流。
• 信號平均或積分，尤其是在電源線周期間隔內(nèi)，可以減少來自電源線的噪聲。

2.動態(tài)表征

雙脈沖測試 (DPT) 是測量開關(guān)特性的標(biāo)準(zhǔn)方法。提高此測試準(zhǔn)確性的一些有用方法是：

• 最小化電源環(huán)路電感。漏極線電感會產(chǎn)生振鈴，而源極線電感會在柵極環(huán)路上產(chǎn)生負(fù)反饋并影響開關(guān)速度。
• 最大限度地減少共模接地噪聲，共模接地噪聲也會產(chǎn)生振鈴。
• 示波器信號的時間偏差會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。通過對準(zhǔn)參考信號進(jìn)行去偏是解決此問題的一種方法。
• 示波器需要具有適當(dāng)?shù)膸?(BW)。經(jīng)驗(yàn)法則是 BW > 0.35/tr，其中 tr 是高斯響應(yīng)的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間。GaN器件的轉(zhuǎn)換時間低至 2 ns，需要帶寬 > 175 MHz 的示波器。
• 由于該測試需要高能量，因此安全性是 DPT 測試儀的關(guān)鍵。

SiC 測試的可靠性挑戰(zhàn)

德國公司SET GmbH的專長之一是創(chuàng)建專為 WBG 功率器件和模塊定制的可靠性測試系統(tǒng)。SET 副總裁兼技術(shù)負(fù)責(zé)人 Frank Heidemann 解決了 WBG 技術(shù)動態(tài)可靠性測試的需求。

動態(tài)高溫柵極偏置 (HTGB) 測試

SiC 器件中出現(xiàn)的新故障機(jī)制為其在汽車應(yīng)用中的使用帶來了風(fēng)險。電動汽車牽引逆變器是這些設(shè)備被廣泛使用的應(yīng)用領(lǐng)域。失敗還可能意味著行為的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致效率損失，從而降低里程數(shù)。靜態(tài) HTGB 是硅功率器件的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，SiC 器件中的柵極氧化物及其界面很容易出現(xiàn) Si 器件中未見的故障。

其中之一是動態(tài)開關(guān)條件下閾值電壓 (Vth) 和相應(yīng) R DSON的變化。圖 2 中顯示了一個示例，其中柵極以 400 kHz 的頻率在指定的最小到最大數(shù)據(jù)表規(guī)范上進(jìn)行脈沖，在 25°C 的溫度下，dV/dt 為 1 V/ns。

在此圖中，汽車壽命定義為逆變器以 20 kHz 頻率開關(guān)，總持續(xù)時間為 8,000 小時（576 G 周期）。測試表明，不同設(shè)備制造商的響應(yīng)有所不同；有些顯示 Vth 在汽車使用壽命內(nèi)增加到 500 mV 以下，而另一些顯示 Vth 增加超過 3,000 mV。該響應(yīng)的一些特征以及提高準(zhǔn)確性的測量技術(shù)包括：

• Vth 的偏移取決于脈沖總數(shù)，即似乎對頻率相對不敏感。靜態(tài)測試無法復(fù)制它。
• Vth 和 R DSON的現(xiàn)場測量應(yīng)在應(yīng)力室中進(jìn)行。
• 在兩年多的測試中，這種轉(zhuǎn)變并未飽和。位移的斜率也不隨著應(yīng)力的增加而改變。
• 在沒有壓力的情況下 2-3 天后，輪班不會恢復(fù)。
• 測試過程中的溫度控制是關(guān)鍵。絕對溫度似乎不是加速因素，但由于 Vth 與溫度相關(guān)，因此移位的精度依賴于穩(wěn)定的溫度。
• 柵極脈沖電壓應(yīng)在數(shù)據(jù)表限制范圍內(nèi)，包括過沖和下沖。此外，dV/dt 應(yīng)遵循應(yīng)用要求，例如 1 V/ns。
• 激勵后的預(yù)處理在 Vth 測量之前非常重要，可以最大限度地減少可能超過實(shí)際偏移的噪聲誤差。使用 100 ms 延遲。
• R DSON 的變化遵循 Vth 的預(yù)期變化。測量顯示，在汽車壽命的 1/10 內(nèi)，逆變器的效率就可能提高 15%，這可能會導(dǎo)致逆變器效率顯著下降。
• Vth 偏移似乎不依賴于漏極偏置，這使得測試更容易、更快速地執(zhí)行。
• 還建議對器件和模塊進(jìn)行測試，因?yàn)檫^沖/下沖可能不同并影響結(jié)果。

動態(tài)高溫和濕度反向偏置 (H3TRB)

H3TRB 測試通常在相對濕度為 85% 和最大漏極電壓規(guī)格的 80%、溫度為 85°C 的條件下進(jìn)行。在動態(tài)測試中，漏極偏置在應(yīng)用dV/dt（例如50V/ns）下以特定頻率（例如100kHz）切換。

直接自激勵方法以半橋布置方式切換 DUT 柵極，而間接方法則使用半橋布置中的外部器件來驅(qū)動 DUT 漏極，從而使 DUT 保持無源狀態(tài)。被動方法可以產(chǎn)生更精確的刺激，并避免 DUT 中的自加熱，從而降低濕度水平。動態(tài) H3TRB 故障也被證明是設(shè)備切換所特有的，即不是由靜態(tài) H3TRB 條件引起的。芯片邊緣出現(xiàn)分層和腐蝕等故障。

高溫正向偏置 (HTFB)

在 SiC MOSFET 中，當(dāng)體二極管導(dǎo)通時，基面缺陷 (BPD) 會降低第三象限操作下的器件性能。開關(guān)應(yīng)用中的反向漏極電流脈沖 (I SD ) 可能遠(yuǎn)高于正向電流。

歐洲電力電子中心 (ECPE) 工作組正在討論動態(tài) HTFB 測試程序。