跨年技術巨獻-8篇連載

我們將以白皮書的形式介紹碳化硅MOSFET柵極氧化層可靠性，交流和直流偏壓溫度不穩定性，體二極管退化，抗短路和宇宙射線能力，產品標準和汽車級認證等8大話題，全文3萬多字。

今天我們繼續講解

《汽車級認證：超越標準的方法》

碳化硅（SiC）以其固有的優越物理材料特性和高擊穿場，是幫助達成“電氣化將主宰汽車業的未來”的最佳候選技術之一，這是在汽車界中呼聲日益高漲的共識。由于SiC器件在工業和汽車應用中都能使用，所以英飛凌采用不同的質量類別來歸類我們的產品。根據我們的質量手冊，區別可以描述如下：

工業

﹥廣泛的應用

﹥使用壽命更長，位于5年到30年之間，或者在惡劣的環境條件

﹥基準質量認證方法可保證符合標準（如JESD47），而額外的可靠性驗證（如果需要）可保證符合特定的應用條件

汽車

﹥變化廣泛的使用條件和負載

﹥壽命≥15年

﹥ppb級的質量目標/OEM不能有任何一個產品失效

﹥AEC Q-100/101標準中確定的、在應用中的可靠性鑒定方法

汽車應用條件目前因為汽車市場的瞬息萬變而有廣泛的變化，寬禁帶半導體因為明顯有能力滿足一些更嚴苛的需求而越來越受歡迎。進入這個市場的代價是高質量保障即能夠實現更長的使用壽命，了解不同的失效機制，以及新的激發能量。總體而言，提高性能的需求正在成為一種常態，也是供應商取得競爭優勢的途徑之一。

汽車市場的演變——尤其是電動汽車技術的演變——對產品質量評估有以下影響：

1、因為應用條件而需要更長的應力施加時間。AEC-Q101是在任何情況下都必須滿足的一項最低標準。

2、設計新應力條件，以涵蓋實際應用條件，以及新技術在這些條件下的表現。

3、可靠性驗證現在得從比標準質量認證試驗更高的級別開始。

圖27.基于分立器件產品現有的汽車標準AEC-Q101，增加質量保障的最佳已知方法

僅僅滿足汽車行業的標準已經不夠了，AEC-Q101被視為必須遵守的指導原則之一，但應用條件如今要求在惡劣的環境條件下以更快的開關速度實現更高的可靠性。所有這些都是在比硅技術的典型擊穿場強提高多達15倍的場強下進行的。

對于電動汽車而言，同樣的高壓器件產品必須同時滿足不同的工作模式，并且在每種模式下都能實現高可靠性。

充電模式，可在穩定的高直流母線電壓下運行3萬小時以上

駕駛模式，根據電池性能，能在高結溫下和寬電壓范圍內運行大約8000小時

預處理，新的純電動車型具有的一項功能，例如，在使用汽車之前給內部駕駛空間加熱，以定時或遠程的方式啟動。在這種模式下需要運行3000小時。

將AEC-Q101中的要求數據轉化為等效的應力時間時，發現在應用條件與新興應用的需求之間存在明顯的不匹配，凸顯出了對能超越當前汽車標準的、能滿足更嚴苛的質量要求的技術（如SiC技術）的需求。

圖28.典型的純電動車應用的應用條件（駕駛模式和充電模式）。將AEC-Q101中的要求（比如1000小時）轉化為等效的運行小時數時發現，該標準無法滿足所有需求

由于產品的復雜度日益提高以及用例更具有挑戰性，可靠性裕度因此已被降低：應用需求如今設定在過去的可靠性研究開始時的水平。

圖29.因為更苛刻的應用需求，可靠性裕度相比AEC-Q101標準必須進行擴展。

汽車級SiC客戶需要更高的現場應用可靠性

汽車市場要求dpm率（百萬缺陷率）極低，傳統基于Si的半導體和基于SiC的技術在能實現的可靠性上應沒有區別。因此，必須在尚未達到Si技術的成熟度的這種新技術，與滿足汽車應用需求的可接受的失效率之間，找到一個折中點。

柵極氧化層：更厚的柵極氧化層使得篩查能力提高，從而達到減少外在缺陷的要求。

宇宙射線：漂移帶（外延層）的設計要能確保更強的抗宇宙輻射能力。調整漂移層電阻Rdrift可以增強或減弱抗宇宙輻射能力。

圖30.失效率主要由柵極氧化層穩定性和抗宇宙輻射能力共同決定

保證汽車零部件對濕度的耐受力

任何汽車零部件都是經常暴露在變化不斷的、有時是惡劣的氣候條件下，因此必須保護這些器件不被滲水，并避免由此導致的腐蝕和/或氧化。類似于太陽能或牽引等戶外應用的工業應用條件，在特定的環境下，汽車應用的質量認證程序和技術措施必須保證其達到超高的可靠度。

現行版本的AEC-Q101要求在最高100V的電壓下進行高濕高溫反向偏壓試驗（H3TRB），100V這個值明顯不適合最高偏壓可以達到1200V的高壓應用。考慮到SiC器件的外部幾何形狀限制以及有源區域最大化的需要，它的橫向電場強度名義上比Si器件要高，這使得SiC技術對于跟濕度有關的失效機制尤為敏感。

要想檢驗SiC器件在不同濕度條件下的可靠性，高壓H3TRB（VDS=80%VDSS）是更合適的方法。考慮到許多應用中的運行電壓都遠高于汽車標準規定的100V，所以這是最合理的方法。

正如上一篇推送《SiC MOSFET產品質量認證與壽命評估方法》中已經講到的，影響可靠性的也有動態特性：開關器件典型的邊緣端接充放電效應，在開關性能明顯優于硅的SiC中更為突出。因為這個原因，可以進行動態H3TRB這一應力試驗，以驗證終端的可靠性不會因器件導通和關斷引起的電場強度持續變化而受到負面影響。如果適當地調整占空比，當電壓快速上升（dv/dt）時（更高的阻斷電壓、加速老化），動態H3TRB可以幫助解決與過沖有關的任何失效機制。由于許多工業應用和汽車應用在濕氣暴露方面存在相似性，所以比較表1、表2和表3時明顯可以看出所用的質量認證方法也是相似的。

▼表3.英飛凌為進行汽車級質量認證所選擇的試驗條件

如果不使用這些試驗方法，就不可能開發出前面提到的創新鈍化概念來保護終端不被濕氣滲透。憑借HV-H3TRB和動態H3TRB試驗，的確發現且進而避免了許多新的失效機制。

圖31.SiC試驗車輛在接受內部物理檢查后發現的失效機制。退化是通過HV-H3TRB和動態H3TRB觸發的，其中，包含鈍化在內的終端設計不夠合理。

只有開發出新的鈍化概念并且重復更嚴苛的濕度應力，SiC技術才有可能被允許用于汽車應用。在這個過程中，英飛凌可以借鑒許多工業產品發布過程中所積累的經驗。

圖32.為通過高濕度條件下的質量認證，使用耐濕材料進行鈍化的終端