碳化硅器件的研究与开发需要掌握哪些专业知识和技术？

碳化硅可靠性测试概况

可靠性，是指产品在规定时间内和条件下完成规定功能的能力，是产品质量的重要指标，如果在规定时间内和条件下产品失去了规定的功能，则称之为产品失效或出现了故障。碳化硅可靠性测试是评估和验证碳化硅材料在特定条件下的可靠性和稳定性。通过对碳化硅样品进行可靠性测试，可以评估其在高温、高压、高电场等极端环境条件下的性能表现和耐久性。测试可以包括高温老化测试、温度循环测试、温湿循环测试以及电性能测试等。通过这些测试，可以检测材料的寿命、机械性能、电学特性等关键参数，以确保碳化硅材料在实际应用中具有良好的可靠性和稳定性，从而有效降低设备故障率、提高产品品质和可持续性。

碳化硅器件可靠性测试的主要范围:

1. 电参数测试：碳化硅器件的电流电压特性参数。

2. 温度循环试验：模拟温度变化,测试器件在热循环下的可靠性。

3. 高温储存试验：在高温条件下储存一定时间,检测参数漂移。

4. 低温储存试验：在低温条件下储存一定时间,检测参数漂移。

5. 高温高湿试验：在高温高湿条件下储存一定时间,检测参数变化。

6. 机械振动试验：给予振动载荷,检测碳化硅器件的抗振动可靠性。

7. 抗打击测试：给予碳化硅器件一定冲击,检测其抗冲击能力。

8. 寿命试验：长时间工作并加速老化,评价碳化硅器件的使用寿命。

9. 焊接可靠性试验：评价焊接过程对碳化硅器件可靠性的影响。

10. 常规失效分析：对失效器件进行物理分析,确定故障机理。

碳化硅器件可靠性测试常用方法：

1. 参数测量：使用精密数字电表测试电流、电压等电参数。

2. 高低温试验箱：在高低温箱内进行温度循环试验。

3. 恒温恒湿试验箱：用于高温高湿可靠性试验。

4. 振动台：产生不同频率、幅值的振动载荷。

5. 冲击试验机：对碳化硅器件施加标准的冲击载荷。

6. 扭曲试验机：对封装产生扭曲负荷,检测引线可靠性。

7. 寿命测试系统：自动加载电流,加速器件老化寿命试验。

8. 焊炉：评价不同焊接工艺对器件可靠性的影响。

9. 断裂试验：对失效器件进行抗拉、抗弯等断裂试验。

10. SEM/EDX：使用扫描电镜和能谱仪分析失效机理。

11. CT扫描：使用X线computed tomography进行故障检测。

碳化硅器件可靠性测试标准

1. GB/T 2423.1-2008 环境试验方法 试验A:冷

2. GB/T 2423.2-2008 环境试验方法 试验B:干热

3. GB/T 2423.3-2006 环境试验方法 试验Ca:恒定湿热

4. GB/T 2423.10-2008 环境试验方法 试验Fc和指南:振动

5. QC/T 413-2002 半导体器件的可靠性试验方法

可靠性测试项目

如下表所示是碳化硅MOS部分可靠性试验的项目名称和试验条件。

HTRB（高温反偏测试）

HTRB（High Temperature Reverse Bias）主要用于验证长期稳定情况下芯片的漏电流，考验对象是边缘结构和钝化层的弱点或退化效应。

HTRB是分立器件可靠性最重要的一个试验项目，其目的是暴露跟时间、应力相关的缺陷，这些缺陷通常是钝化层的可移动离子或温度驱动的杂质。半导体器件对杂质高度敏感，杂质在强电场作用下会呈现加速移动或扩散现象，最终将扩散至半导体内部导致失效。同样的晶片表面钝化层损坏后，杂质可能迁移到晶片内部导致失效。HTRB试验可以使这些失效加速呈现，排查出异常器件。

半导体器件在150℃的环境温箱里被施加80%的反压，会出现漏电现象。如果在1000小时内漏电参数未超出规格底线，且保持稳定不发生变化，说明器件设计和封装组合符合标准。否则判定为失效。测试原理图如下图所示：

HTGB（高温门极偏置测试）

HTGB（High Temperature Gate Bias）是针对碳化硅MOSFET进行的最重要的可靠性项目，主要用于验证栅极漏电流的稳定性，考验对象是碳化硅MOSFET栅极氧化层。在高温环境下对栅极长期施加电压会促使栅极的性能加速老化，且碳化硅MOSFET的栅极长期承受正电压，或者负电压，其栅极阈值电压VGSth会发生漂移。

在测试中，需持续监测碳化硅MOSFET栅极-漏极的漏电流，如果漏电流超过电源设定上限，则可以判定为失效。试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。测试原理图如下图所示：

HV-H3TRB（高压高温高湿反偏测试）

HV-H3TRB（High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias）主要用于测试温湿度对功率器件长期特性的影响。高湿环境是对分立器件的封装树脂材料及晶片表面钝化层的极大考验，树脂材料是挡不住水汽的，只能靠钝化层，3种应力的施加使早期的缺陷更容易暴露出来。

AEC-Q101中只有H3TRB这个类别，其缺点是反压过低，只有100V。如果将标准提高，把反偏电压设置80%~100%的BV，称为HVH3TRB。

在测试中，需持续监测MOSFET源极-漏极的漏电流。试验前后都要电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。测试原理图如下图所示：

TC（温度循环测试）

TC（Temperature Cycling）测试主要用于验证器件封装结构和材料的完整性。

绑定线、焊接材料及树脂材料受到热应力均存在老化和失效的风险。温度循环测试把被测对象放入温箱中，温度在-55℃到150℃之间循环（H等级），这个过程是对封装材料施加热应力，评估器件内部各种不同材质在热胀冷缩作用下的界面完整性；此项目标准对碳化硅功率模块而言很苛刻，尤其是应用于汽车的模块。

试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。测试原理图如下图所示：

AC（高温蒸煮测试）

AC（Autoclave）测试主要用于验证器件封装结构密闭完整性。该测试是把被测对象放进高温高湿高气压的环境中，考验晶片钝化层的优良程度及树脂材料的性能。被测对象处于凝露高湿气氛中，且环境中气压较高，湿气能进入封装内部，可能出现分层、金属化腐蚀等缺陷。

试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。测试原理图如下图所示：

IOL（间歇工作寿命测试）

IOL（Intermittent Operational Life）测试是一种功率循环测试，将被测对象置于常温环境TC=25℃，通入电流使其自身发热结温上升，且使∆TJ≧100℃，等其自然冷却至环境温度，再通入电流使其结温上升，不断循环反复。此测试可使被测对象不同物质结合面产生应力，可发现绑定线与铝层的焊接面断裂、芯片表面与树脂材料的界面分层、绑定线与树脂材料的界面分层等缺陷。对于材质多且材质与材质接触面比较多的模块，此通过此项目难度较高。

试验前后同样都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。测试原理图如下图所示：

以上每种可靠性试验都对应着某种失效模式，可归纳为环境试验、寿命试验、筛选试验、现场使用试验、鉴定试验五大类，是根据环境条件、试验项目、试验目的、试验性质的不同，试验方法的不同分类。

这是产品在投入市场前必须进行可靠性试验。可靠性试验将失效现象复现出来排除隐患，避免在使用过程中出现可避免的失效。

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