半導(dǎo)體在汽車(chē)中的使用持續(xù)增加。如圖1所示，盡管由于疫情造成的供應(yīng)鏈限制，過(guò)去幾年新車(chē)銷(xiāo)量總體下降，但同期汽車(chē)內(nèi)半導(dǎo)體銷(xiāo)售收入?yún)s有所上升。汽車(chē)中半導(dǎo)體價(jià)值的增加來(lái)自于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)中用于安全和自動(dòng)駕駛功能的芯片，以及隨著世界走向更加碳中和的環(huán)境而用于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣化的芯片。

    汽車(chē)應(yīng)用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和質(zhì)量要求

    圖 1：盡管汽車(chē)需求下降，但汽車(chē)半導(dǎo)體的需求卻有所增加。
    在更廣泛的汽車(chē)市場(chǎng)中，電動(dòng)汽車(chē)預(yù)計(jì)未來(lái)五年將以超過(guò) 25% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。在本文中，我們將介紹使用寬帶隙 (WBG)的一些可靠性和魯棒性要求碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 功率器件，由意法半導(dǎo)體 WBG 戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Filippo Di Giovanni 在 electronicsa 2022 電源論壇上介紹。與傳統(tǒng)硅 (Si) 功率器件相比，SiC 和 GaN 器件具有多種優(yōu)勢(shì)，例如更低的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗、降低的冷卻要求 (SiC) 以及更高的開(kāi)關(guān)頻率 (GaN)。意法半導(dǎo)體是早生產(chǎn)專(zhuān)門(mén)用于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域的 SiC 功率器件的半導(dǎo)體公司之一。

    圖 2 顯示了在開(kāi)關(guān)頻率為 10kHz 的 210kW 牽引逆變器應(yīng)用中 SiC MOSFET 相對(duì)于 Si IBGT 的優(yōu)勢(shì)示例。

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    圖 2：電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器應(yīng)用 1,200V SiC MOSFET 和 Si IGBT 的效率比較
    在輕負(fù)載（汽車(chē)大部分時(shí)間都在這種情況下行駛）下，SiC MOSFET 的效率要高得多。電力轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高是預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)更多電動(dòng)汽車(chē)使用的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)要求，因?yàn)檫@些與電池技術(shù)的改進(jìn)一起可以增加行駛里程，減少充電次數(shù)并提高可靠性以及降低成本。盡管 SiC MOSFET 具有所有優(yōu)勢(shì)，但在這些電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中使用時(shí)仍面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。SiC 溝道中較低的載流子遷移率通常需要更薄的柵極氧化物才能產(chǎn)生所需的電流驅(qū)動(dòng)。這會(huì)在柵極氧化物上產(chǎn)生高電場(chǎng)。SiC 襯底體和柵極氧化物界面中存在的缺陷水平要高得多，可能會(huì)隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生參數(shù)變化或可靠性失敗。此外，高功率密度會(huì)給組裝和封裝帶來(lái)挑戰(zhàn)。

    意法半導(dǎo)體多年來(lái)一直致力于 SiC MOSFET 的研究，以提高器件的性能和可靠性。圖 3 顯示了器件和封裝級(jí)別的一些與性能相關(guān)的改進(jìn)。

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    圖 3：意法半導(dǎo)體的 SiC MOSFET 技術(shù)和封裝路線圖摘要
    該公司于 2021 年推出的第 3 代器件專(zhuān)為電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)設(shè)計(jì)，與第 2 代器件相比，特定通態(tài)電阻 (R DS(on ) ) 提高了 30%。目前正在開(kāi)發(fā)的第四代預(yù)計(jì)將在該參數(shù)上進(jìn)一步提高 15% 至 20%。在封裝方面，該公司創(chuàng)建了名為 HiP247-4 的 200°C TO-247 封裝。后來(lái)的 STPAK 封裝針對(duì)牽引逆變器應(yīng)用，采用多重?zé)Y(jié)方法以實(shí)現(xiàn)更好的熱性能。封裝改進(jìn)還包括使用銀燒結(jié)來(lái)提高耐熱性和堅(jiān)固性。對(duì)于電源模塊封裝，意法半導(dǎo)體提供 ACEPACK 解決方案，其中包括單面或雙面冷卻選項(xiàng)。

    意法半導(dǎo)體的 SiC 可靠性和穩(wěn)健性改進(jìn)依賴(lài)于四大支柱，如圖 4 所示。

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    圖 4：意法半導(dǎo)體用于提高 SiC 器件可靠性和穩(wěn)健性的四大支柱
    如果可能的話，需要篩選掉如圖 4 左圖所示的 SiC 缺陷。晶圓廠加工過(guò)程中的光學(xué)檢查可以捕獲其中一些缺陷，并可以根據(jù)這些缺陷創(chuàng)建缺陷晶圓圖。然后，在測(cè)試過(guò)程中將這些缺陷與標(biāo)準(zhǔn)電氣故障重疊，以墨水打印可能已通過(guò)電氣但顯示光學(xué)缺陷的芯片，這一過(guò)程稱(chēng)為缺陷離線墨水?；?TCAD 的可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)示例包括努力降低端接邊緣處的電場(chǎng)，工藝改進(jìn)可包括優(yōu)化柵極氧化物工藝以減少缺陷并縮短電介質(zhì)擊穿時(shí)間。老化篩選，無(wú)論是在晶圓級(jí)還是封裝級(jí)，和其他電氣壓力測(cè)試是重要的工具，用于淘汰具有外在缺陷的零件，并且對(duì)運(yùn)送給客戶(hù)的零件的可靠性更有信心。任務(wù)概況評(píng)估的目標(biāo)是根據(jù)特定的客戶(hù)應(yīng)用環(huán)境定制可靠性測(cè)試，如圖 5 所示。

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    圖 5：任務(wù)概況可靠性評(píng)估，用于衡量客戶(hù)特定應(yīng)用的 FIT 率
    針對(duì)每種客戶(hù)特定條件制定了實(shí)時(shí)故障 (FIT) 率，并針對(duì)特定應(yīng)用制定了加權(quán)平均總體 FIT 率。這比其他技術(shù)上進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)溫度降額有用得多。例如，溫度循環(huán) (TC) 可以包括無(wú)源 TC，其中包括大的溫度波動(dòng)并檢查芯片連接的穩(wěn)健性，而有源 TC 的溫度波動(dòng)較小，但檢查引線鍵合穩(wěn)定性。
    圖 6a 顯示了可靠性的工藝和設(shè)計(jì)改進(jìn)示例。這表明與第 2 代器件相比，第 3 代器件中基于設(shè)計(jì)的氧化物上的電場(chǎng)有所減少。

    汽車(chē)應(yīng)用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和質(zhì)量要求

    圖 6a：意法半導(dǎo)體第 3 代器件的設(shè)計(jì)改進(jìn)示例
    汽車(chē)應(yīng)用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和質(zhì)量要求
    圖 6b：意法半導(dǎo)體 SiC 器件中歸一化故障 ppm 趨勢(shì)圖
    意法半導(dǎo)體目前已出貨超過(guò) 2 億個(gè) SiC 器件，并將百萬(wàn)分率 (ppm) 故障率穩(wěn)定降低至 1 ppm 以下。ppm 率隨時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)化改進(jìn)如圖 6b 所示。
    汽車(chē)應(yīng)用的 GaN 可靠性和穩(wěn)健性
    GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 功率應(yīng)用在滿足汽車(chē)應(yīng)用的嚴(yán)格要求方面面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。一些差異化方面是：
    漏極電壓應(yīng)力引起的動(dòng)態(tài) R DS(on)增加是 GaN HEMT 中的一種瞬態(tài)、可恢復(fù)現(xiàn)象，并且是電荷捕獲的結(jié)果。已定義新的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) (JEP-173) 以提供測(cè)試指南。
    開(kāi)關(guān)應(yīng)力引起的電荷捕獲/熱電子生成也可能導(dǎo)致不可逆的 R DS(on)增加，從而降低轉(zhuǎn)換器效率。此外，這種效果會(huì)隨著設(shè)備老化而改變。需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL)/開(kāi)關(guān)加速壽命測(cè)試來(lái)量化這一點(diǎn)。JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JEP-180 定義了此測(cè)試方法。
    GaN HEMT 器件不會(huì)像 Si 或 SiC MOSFET 那樣發(fā)生雪崩，因?yàn)樗鼈兊呐鲎搽婋x系數(shù)要低得多。它們通常可以承受遠(yuǎn)高于其額定擊穿電壓的電壓；然而，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試（例如在 Si/SiC 中使用的未夾緊感應(yīng)應(yīng)力測(cè)試）可能會(huì)導(dǎo)致 GaN HEMT 損壞。需要量化過(guò)壓浪涌能力，以了解開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)沖期間可用的余量。

    GaN HEMT 中的其他時(shí)間相關(guān)擊穿機(jī)制因其結(jié)構(gòu)而獨(dú)特，并且可能表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)高溫反向偏壓或高溫柵極偏壓測(cè)試中漏電增加。這些需要進(jìn)行量化和分析，以更好地了解設(shè)備操作的限制。晶圓級(jí)可靠性測(cè)試用于從威布爾圖生成加速因子來(lái)估計(jì)壽命。

    圖 7 顯示了 STMicroElectronics 的 650V GaN HEMT 的 DHTOL 測(cè)試波形示例。升壓轉(zhuǎn)換器用于測(cè)試具有高側(cè)（軟）或低側(cè)（硬）開(kāi)關(guān)的器件。切換條件可以基于客戶(hù)任務(wù)概況。

    汽車(chē)應(yīng)用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和質(zhì)量要求
    圖 7：650V GaN HEMT 的 DHTOL 測(cè)試示例
    總之，SiC 目前正在推動(dòng)汽車(chē)電氣化，隨著人們對(duì)其使用的信心不斷增強(qiáng)以及更強(qiáng)大的可靠性測(cè)試，GaN 器件也將在此應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。隨著電動(dòng)汽車(chē)壽命要求的延長(zhǎng)，寬帶隙功率器件的壽命也需要相應(yīng)增加。