SiC MOSFET在零漏极电压、栅极高频切换的工作条件下,会出现一种特殊的性能退化现象,英飞凌将其命名为栅极开关不稳定性(GSI),触发这种退化的应力模式则被称为栅极开关应力GSS,业内也常称其为AC BTI、DGS 等。简单来说,栅极开关不稳定性的核心表现是:器件阈值电压会随着累积开关循环次数的增加持续升高,这种漂移是SiC器件独有的,且在高频开关场景中尤为显著。为评估SiC MOSFET阈值电压稳定性,英飞凌与JEDEC携手制定了GSS测试标准。合格器件应通过1000hr测试而无明显退化。
高压是SiC MOSFET的核心应用特征,应重点验证高压下的绝缘稳定性与环境适应性。由于SiC器件的终端尺寸变小(因为材料的阻断能力更强),所以必须使用足够可靠的特殊钝化技术。为了适应SiC高dv/dt的应用环境,除了静态偏压测试HTRB,动态偏压测试DRB也必不可少。在DRB实验中,dv/dt高达200V/ns,这对器件的终端区是非常严苛的挑战。
标准HTRB中,栅极与源极短接。与基于硅的功率器件不同,SiC的氧化层可靠性试验还必须涵盖阻断模式下的稳定性。这是由于SiC MOSFET超高的临界电场,对SiO2氧化层缺陷是严峻考验。因此,SiC MOSFET在标准HTRB测试基础上,应追加负栅源电压情形下的测试,这对栅极的质量提出了更高要求。
前面提到过,SiC MOSFET因为电流密度高、芯片面积小、外延层薄等原因,短路耐受时间相比IGBT低不少。市面上大多数厂家都无法保证SiC MOSFET的短路性能,只有英飞凌等少数厂家能承诺2~5us的短路时间。短路时间是如何标定的呢?是否只要在测试中承受住了几us的短路电流,就能宣称该器件具有短路能力?并不是这样。对于经受过短路事件的器件,仍然要评估其HTRB与HTGB,方能保证经过短路的器件,仍然具有稳定的表现与预期的寿命。
4. 湿度专属测试:AC-HTC(交流-湿度和温度循环)
以上实验尚不能完全模拟实际工作模式,因此英飞凌引入了AC-HTC(交流-湿度和温度循环)测试。现场应用中,比如在光伏逆变器场景下,开机前机柜中温度很低,且有冷凝水;开机后,温度上升,湿度下降。Ta=85°C/RH=85%条件下进行的标准试验是为了防止在实际芯片表面出现冷凝,AC-HTC试验则是引发冷凝,并通过在终端接区形成冷凝水层触发额外的、与应用有关的失效模式。
持续数小时的试验周期可以分成两个不同的阶段:
a)Ta<0°C:低温、高湿度,导致芯片表面出现冷凝水,模块中的湿度很大。为防止发生自加热进而导致冷凝水变干,在本阶段不施加电压。
b)Ta>0°C:当温度上升到最高85°C时,以类似于在实际应用中使用的较高频率和电压打开处于冷凝条件下的器件。
如果终端区的结构设计和钝化处理不够充分,则将出现退化,导致在试验期间和实际应用中过早失效。合格的器件应配备有新的叠层钝化膜,用于在这些恶劣的条件下保护器件表面,才成功通过持续120天的AC-HTC试验,而不出现任何明显的退化。