派恩杰对1200V80mΩ的SiC MOSFET进行马拉松实验,产品可靠性远超车规要求

2022-08-05 派恩杰
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自SiC材料凭借其更优的温度稳定性,更高的功率密度和更高的耐压为特斯拉所采用之后,各汽车厂商为了提高续航里程以及能量效率越来越多的跟进使用SiC芯片构成的能量管理系统。此举推动了SiC功率器件SiC功率模块在越来越多的应用场景中取代Si基功率芯片,同时也为其发展出更多的机会应用在新场景中。


目前针对SiC的研究已相当深入,仍有不少人关注SiC材料的栅氧能力,本文对此再做一个简要介绍。如图1所示,相较于Si基材料,SiC与SiO2栅氧层界面缺陷密度更高,SiC早期失效、非本征失效(虚线)发生的概率要比Si材料的高三四个数量级;而在本征失效(实线)部分Si与SiC产品的氧化层击穿极限是一致的;这意味着若能够将SiC器件中未能达到寿命要求的那些器件筛选掉,可得到与Si器件相比拟的可靠性,若是使用更严格但不损伤芯片的筛选条件,可以得到可靠性优越的器件。


图1:相同厚度及面积氧化层的Si材料和SiC材料的非本征失效及本征失效的Weibull分布;F是累积失效率,t是时间,Chip life time是芯片需要达到的最小寿命。


关于SiC MOSFET栅氧能力,目前有HTGB(高温栅压测试),HTGBR(高温栅压反偏测试)等传统标准的测试方法,这些方法能对SiC器件栅氧可靠性进行评估。派恩杰的产品除了这些实验之外,团队早已紧跟前沿,于2021年上半年即通过TDDB实验确定芯片筛选条件,本文将简要介绍筛选后器件经过马拉松(Marathon)实验的典型结果。


目前派恩杰所做马拉松实验的思路和方法如下:首先对于实验产品施加合适的栅压进行筛选,然后随机选取通过筛选的样品(一般为千数量级),进行100天的长时间高栅压应力、高温度应力测试,再将实验结果通过1/E模型评估产品可靠性。所采用的实验思路来自于国际大厂、学界曾做过的实验及相关文献。


实验结果

派恩杰团队近期结束了1200V80mΩ的P3M12080K3产品为期100天的马拉松实验。实验中,派恩杰选取了合适的栅压条件Vgs=25V,环境温度也是严苛的175℃,实验结果如图2所示:


图2:橙色实验数据为加压条件下得到的结果,蓝色数据为1/E模型得到栅极使用规格书电压等效结果。


使用此寿命模型,实验结果:派恩杰的P3M12080K3产品在目前的筛选条件下,能够很好地消除SiC材料的失效风险,PPM为个位数,与国际竞品厂商论文及报告中的器件可靠性接近。这也意味着派恩杰产品不仅能通过严苛的车规测试,也可以很好地适用于新能源和光伏等领域。


参考文献:

[1] JEP122H.

[2] M. Beier-Moebius and J. Lutz, "Breakdown of gate oxide of 1.2 kV SiC-MOSFETs under high temperature and high gate voltage," PCIM Europe 2016; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2016, pp. 1-8.

[3] Yu, Liangchun & Dunne, Greg & Matocha, Kevin & Cheung, Kin & Suehle, John & Sheng, Kuang. (2011). Reliability Issues of SiC MOSFETs: A Technology for High-Temperature Environments. Device and Materials Reliability, IEEE Transactions on. 10. 418 - 426. 10.1109/TDMR.2010.2077295.

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