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使用Simcenter全面评估SiC 器件的特性——Simcenter为热瞬态测试和功率循环提供全面支持

使用Simcenter全面评估SiC 器件的特性——Simcenter为热瞬态测试和功率循环提供全面支持

内容摘要

传统的硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (MOSFET) 具有成熟的技术和低廉的成本，在中压和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 高压功率电子器件中占主导地位。使用碳化硅等具有高电离能的新型宽带隙材料，可以制造出具有快速开关时间和超过1,000伏击穿电压的经典MOSFET器件。此外，它们能够承受高温，确保稳定运行和延长使用寿命。新的材料需要新的测试技术，尤其是在热瞬态测试领域，更需要良好的方法来检查设备完整性、识别设备故障机制以及确定热阻。为了应对这些挑战，Siemens Digital Industries Software改进Siemens MicReD Power Tester，提供了一套符合新测试标准的新型测试方法。

序言

近几十年来，设备尺寸随着功率水平和功率密度的不断提高而不断缩�。沟霉β实缱悠骷娜炔馐员涞弥凉刂匾�。为了应对这些挑战，西门子综合利用其在器件物理和测试设备制造方面的深厚知识，开发了一套符合新测试标准的新型方法。^1,2这些知识的精髓已经发表在近期的一本书中。³直到近期，包括二极管、MOSFET和IGBT在内的硅器件仍在功率电子器件中占主导地位。为了理解相关的测试原理，我们需要研究它们的温度相关特性。

图1（左）显示了典型的高压垂直导电MOSFET剖视图，图2（右）显示了该器件的近似等效电路。当栅-源电压 (V_GS) 达到特性V_th阈值电压时，导电通道出现在N+源和N–外延层之间，然后随着V_OV=V_GS–V_th“过驱动”电压以近似二次方式增长。

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图1.高压垂直导电MOSFET（左）和IGBT器件（右）的简化剖视图。³

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图2.高压垂直导电 MOSFET（左）和 IGBT 器件（右）的等效电路。³

通道的R_ch电阻可以通过适当的技术配置进行合理的编程。然而，在高压晶体管中，外延层必须较厚并且有稀疏的掺杂，才能承受OFF状态下的高阻断电压。这样它可以形成一个较长的耗尽区域，使其中的电�。ǖ缪购统ざ鹊谋戎担┎怀牧系慕榈缜慷�。

在ON状态下，N–层会向器件的总R_DSON电阻添加一个额外的R_epi电阻，这将在处于工作电流下的MOSFET中导致较高的V_D,on=V_DS(I_D)压降，即使处于较高的V_OV过驱动电压也是如此。

为了提高器件的开关效率并避免器件因为高损耗而过热，在IGBT器件中，在MOSFET之外集成了一个共源共栅双极晶体管；该晶体管在ON状态下将注入大量可移动载流子：图1（左）和图2（右）。双极PNPN结构会造成外延电阻短路，V_ON电压由上方PNP晶体管的V_sat饱和电压而不是由半导体中的串联电阻决定。在硅材料中，V_sat约为二极管的典型正向电压范围（0.8V至1.0V）。

该解决方案的缺点是运行缓慢。在MOSFET中，通道中的电子能够以皮秒为单位退回到源极，而IGBT则需要经过双极基极中两种电荷载流子类型的长时间复合后才能关闭。

随着碳化硅 (SiC) 器件的出现，不再需要以上妥协并实现了更好的性能。在这些材料中，需要更高的能量才能从半导体晶体晶格中剥离电子并使其可以移动，这一能量高于三个电子伏特，是硅 (Si) 的三倍多。

这种电离能被称为“带隙”。它的一项较高价值在于，它会带来许多有利的特性。例如，在介电强度方面，SiC 器件会在2千瓦 (kV)时击穿10μm距离，而Si器件会在200V时击穿。在相同温度下，半导体中的电离原子数要低得多，因此SiC器件可以在500摄氏度 (?C) 下工作，而Si的极限只有200?C。在实际使用中，工作温度受到封装材料的限制。

借助于SiC器件，MOSFET的高速、低损耗和高效率优势可以扩展到更高的工作电压和温度。因此，它们现在在三相逆变器、AC-DC或DC-DC转换器以及数字电源等方面得到了广泛应用。^4,5,6

尽管SiC器件与硅器件之间存在相似之处，但这种新材料为测试解决方案带来了新的挑战，例如热特性测试和功率循环可靠性测试。

先进的热特性和功率循环

近几十年来，热瞬态测试已成为封装半导体器件热特性分析中广为采用的一种方法。

Simcenter? T3STER? 硬件和软件解决方案是市场领先的热瞬态测试实施方案。它提供标准的热指标（结到壳、结到板、结到环境等），能够检测结构缺陷并优化热流路径中的材料选择。该技术的独特之处在于，它有助于为热仿真生成和校准模型。

1.1.热瞬态测试

在热瞬态测试中，记录了系统（半导体芯片）中最热的点在两个稳态之间的温度变化。

到目前为止指出的所有特性器件参数（例如MOSFET中的V_th和R_DSON、IGBT中的V_sat等）都与温度有关，因此它们可以用作热测试中的温度敏感参数 (TSP)。在合适的偏差下，可以校准选定的参数，这意味着可以确定参数值与恒温环境温度之间的明确映射。

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图3.Si MOSFET的输出特性。

在热瞬态测试中，通过施加的电负载将组件加热到热稳态。随后，在突然关闭加热后，可以捕获芯片的电参数变化。最后，将电信号转换回温度，使用数学算法对热瞬态进行处理，以识别时间常数并生成等效的分布电阻电容 (RC) 模型。

传统的热瞬态测试在硅MOSFET源极和漏极之间的反向体二极管（图1中的红色二极管）上执行。在这些器件中，当V_GS=0V（栅极连接到源极）时，只有很小的阈下电流流过通道。在使用I_drive驱动电流加热期间，功率会受到限制，因为 V_F?正向电压保持在1V以下。在低I_sense感应电流下，可以用约–2mV/K的灵敏度来记录瞬态。

对于三极组件，可以通过适当控制栅极引脚来实现更复杂的加热和感应选项。

图3显示了一个MOSFET的输出特性（这是SEMIKRON SK280MB10�？橹械囊桓鼍骞埽�。⁷该图显示了I_D漏极电流在几个固定VGS栅-源电压值下随VDS漏-源电压的增加而发生的变化。

可以观察到，当漏极电流为240A时，V_D,on电压在25?C下为0.26V，在150?C 时为0.48V。R_DSON?通道电阻在两种温度下均可计算为V_DS/I_D，并且具有正温度系数。

然而，除了图表中因芯片温度变化而引起的可逆偏移外，劣化机制也会改变器件特性。

该图显示了使用R_DSON作为TSP的局限性，其变化仅为约0.9mΩ。即使高 I_sense=1A电流下，当温度升高125°C时，TSP的变化也仅为0.9mV。

将栅极连接到漏极并施加一个小的正I_sense后，V_GS=V_DS电压略高于器件的V_th?阈值电压。因温度而引起的V_th变化的理论值略大于–4mV/K。图3表明，V_th高于4V，在相同的I_drive电流下，可以实现远高于体二极管的耗散。但是，由于温度系数为负，器件中可能会形成热点，这可能在高功率水平下导致损坏。

Simcenter T3STER和Simcenter Micred^TM?Power Tester提供了以上所有选项来测量二极管、MOSFET或IGBT，可以适用任何器件和应用。Simcenter是 Siemens Xcelerator这一软硬件和服务业务平台的一部分。

1.2.功率循环

有功功率循环 (APC) 是一种重要的可靠性测试方法，该方法通过在器件中开关高电流来检查半导体元件的劣化机制。通过重复功率循环直到组件发生故障，可以绘出器件的寿命曲线。

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图4.Simcenter Micred Power Tester。

Simcenter Micred Power Tester（图 4）提供了一种独特的解决方案，综合利用了有功功率循环和热瞬态测试。该自动化系统会按用户定义的周期数定期中断功率循环并测量热瞬态。热瞬态数据序列揭示了内部器件结构从热芯片开始在整个热流路径中的变化。系统可以识别不同的层，如芯片贴装、基板焊接或热界面材料 (TIM)，并监测其退化的传播情况。

通过使用Simcenter T3STER，以20°C甚至更低的T_J结温变化就足以达到良好的信噪比。

与之相比，在功率循环期间，施加的加热功率必须足够高，才能达到或超过所需的温度摆动值以捕获数据并创建寿命曲线。通常，要进行相关的寿命估算，不会超过额定电流，并且负载条件必须类似于正常运行条件。

除了其他的供电和感应选项外，该功率测试仪还为MOSFET器件提供了组合测试设置，可以加热导电通道并使用体二极管测量温度。该方法也是ECPE AQG-324 指南²推荐的方法，该指南被广泛接受用于功率�？椴馐裕⒍怨β恃凡馐蕴峁┝讼晗傅慕ㄒ�。

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图5.组合测试装置、加热通道、体二极管上的温度测量。

测量设置的方案如图5所示。对于加热，在晶体管上施加一个标称V_GS以使其通电(ON)，并在漏极上施加I_drive。达到稳态时，V_GS变为0V，体二极管上的V_F正向电压记录为负I_sense。由器件通道上的导通损耗而产生的热与实际应用一致，但确保了温度测量的高灵敏度。为了获得可比较的测试结果，不应一直运行功率循环直到组件发生灾难性故障；相反，必须定义适当的故障标准。只要达到其中任意一个标准，循环就将停止。

在 Simcenter Micred Power Tester 中，所有主要监测参数的停止标准都可以定义为绝对值或百分比变化。这些停止标准包括：

?最大（和最�。┩ㄌ缪� (V_DS,on)

?热阻 (R_th)

?最大结温变化 (ΔT_j,max)

?最大通道电阻 (R_DSON)

ECPE AQG-324指南定义了两个主要的故障标准，即V_DS,on上升或结到壳/结到散热器热阻上升。详细的定量限值请见参考资料2。

SiC MOSFET器件热测试中的挑战和解决方案

尽管SiC和Si器件有许多共同特点，但需要特别注意几个重要差异以适应经典的测试方法。⁹

2.1.SiC MOSFET器件的热瞬态测试

Si 和SiC MOSFET器件之间的某些差异会影响热瞬态测试和功率循环方法，而其他差异仅与功率循环有关。在本节中，我们列出了两者中影响TSP实现的因素。

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图6.使用不同于参考资料 3 的 V_GS?所测得的体二极管的“准温度”。

电荷积聚：在SiC MOSFET中，该效应通常发生在半导体栅极的氧化物表面（如图 1 所示）。V_th中引发的时变变化可能会干扰瞬态测量，因此应谨慎使用与TSP相关的阈值电压，例如MOS二极管电压。^5,8,9

寄生电流：由于阈下电流较高，在体二极管上测量温度时，必须使用负V_GS以抑制通道中的并联电流。^3,9

图 6 显示了当V_GS=0V、–2.5V、–5V 和 –6V 时SiC MOSFET中体二极管上的V_F正向电压变化。竖轴按照“准温度”（电压变化乘以TSP）进行缩放以更好地比较早期阶段中的瞬态信号。

可以观察到，对于实际器件，V_GS=–5V 和–6V时的瞬变几乎相同，因此似乎没必要进一步降低栅-源电压。

在+20到–10V的范围内，Simcenter Micred Power Tester中的栅极驱动电路有助于使用正负V_GS的测量方法。

体二极管上的高正向电压：SiC 二极管上的V_F正向电压在处于I_sense时可能已经高于3V，而且在处于I_drive时可能更高。当体二极管上发生加热和感应时，或是对于图5的组合测试方案，这可能是一个障碍。

Simcenter Micred Power Tester 是专用于测量更多串联MOSFET器件链路的测试仪。经过新近的开发，该系统将I_sense的电压范围扩展到±12V，允许串联多达四个最大压降为3V的器件，例如两个半桥。

感应电压尖峰：在功率循环测试系统中，寄生电线电感无法像在功率转换器设备中那样得到彻底优化。在几百安培的电流下，会存储大量的感应能，当加热电流关闭后，可能需要几十微秒才能放电（耗散）。在图5的测试方案中，还必须开关栅极电压。如果在正漏极电流仍在流动时执行此开关操作，由此产生的高电压峰值可能会影响器件寿命，甚至可能损害测试系统。

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图 7.功率 MOSFET 的初始电压变化，蓝色为使用 16 μs 的栅极电压延迟，红色为不使用栅极电压延迟。

为保护两者，可以在不同时间开关I_drive?和V_GS。

通过测试仪的控制功能，用户可以选择所需的栅极电压开关延迟，从而在系统保护和电气瞬态长度之间找到更好的平衡。

图 7 显示了SiC MOSFET(MD120HFR120C2S)在10A驱动电流和-1A感应电流下的开关瞬态。在这些电流下执行的试验表明，16μs的栅极电压延迟消除了开关期间的电压峰值。

除了上述的主动电压尖峰保护外，为了提高SiC MOSFET测试性能，还改进了测试仪输入端的过压保护。

2.2.SiC MOSFET 器件的功率循环

功率循环中的一项主要停止标准与高电流下器件中的电压增加有关，表示为 V_D,on和R_DSON。

在许多情况下，V_D,on的增加表示连接漏极和源极的键合线的直接退化或其他相关劣化机制。然而，导热路径劣化（芯片贴装分层、碎裂等）造成的芯片温度升高也可能导致较高的R_DSON。在SiC MOSFET器件中，V_DS,on在 I_drive电流下大致与R_DSON成正比，因此其与温度相关的增长高于IGBT V_sat饱和电压的增长。因此，这种可逆性增长可以主导测量的V_D,on，导致提前停止测试程序并低估实际寿命。

AQG-324的附录 III（第 14 页）提到了定义和监控额外的冷态器件电压 (V_DS,on,cold) 参数以避免因温度变化而提前停止循环。不过，该指南允许用户自由定义V_DS,on,cold参数。

使用Simcenter Micred Power Tester可以获得两种替代解决方案。

开始加热时测得的通态电压：在加热阶段开始时测量V_on,cold参数。要获得精确时间，必须考虑到由开关电源提供高负载电流，并且电流在一定调节时间后稳定（这取决于设定的电流水平和负载上的电压）。

用户设置相对于开启瞬间的适当时间延迟，使该时间既足以实现稳定，又足以尽量降低升高的温度。

该方法的优点是它适用于正常的循环条件，因此在每个循环中都能捕获 V_on,cold。然而，在加热电流稳定在所需的设定水平之前，其精度会受到温度升高的限制。

降低负载电流时测得的通态电压：V_{on, LP}参数在降低的加热电流水平下捕获。加热功率随加热电流而二次减�。桓涸氐缌鹘档�10倍会使负载电压降低10倍，而耗散和温度变化会降低100倍。该参数的优点是，通过正确选择测试电流，可以很好地控制温度变化的影响，但它需要在测试流程中插入特殊的测试周期，从而限制了监测的时间分辨率。

在Simcenter Micred Power Tester中，上文所定义的两个参数都可用作循环停止标准。

结语

新型半导体材料的引入极大地改变了功率电子器件的世界。SiC广泛应用于汽车、牵引、功率转换以及其他应用。这种半导体的宽带隙（高电离能）特性可在高温和高介电强度下实现较低的载流子浓度，将快速MOSFET器件的使用扩展到高温、高电压和高频范围。为了应对新的挑战，测试设备制造商开发了新的测试概念，包括使用功率循环来执行热特性和可靠性测试。

半导体芯片是各种设备中的一大热点。在热瞬态测试和大多数功率循环解决方案中，使用芯片与温度相关的电气参数来捕获温度变化。

在MOSFET结构中，体二极管是常用的传感器。在SiC器件中，电荷捕获可能导致瞬态信号出现长时间变化；此外，寄生电流在器件通道中以零栅极电压流动。在测试和正常运行期间，负栅极电压可以抑制这些影响。

为了在瞬态测量中达到适当的高功率，并在循环测试中应用真实的负载条件，通常在通道电阻处于导通状态时进行晶体管加热。当冷却开始时，需要开关加热电流和栅极电压。通过合理分隔两个开关事件并恰当控制时间，可以防止电压峰值损坏测试样品和测试系统。

在可靠性测试中，所有器件类型的一个寿命终止标准是在高电流下出现通态电压增加。这主要表明了封装内部的电气互联出现退化，但器件温度也会影响该参数。在SiC 器件中，热效应可能占主导地位，因此需要引入新的监测参数。在加热之前或处于低电流时，执行额外的通态电压测量有助于区分温度升高和结构退化。

使用Simcenter Micred Power Tester，您可以针对所有上述需求实施解决方案，为SiC组件测试提供全面支持。

参考资料

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2. ECPE Guideline AQG 324, Qualification of Power Modules for Use in Power Electronics Converter Units in Motor Vehicles, Available online: (Accessed: 15 Aug 2023 ) https://www.ecpe.org/index.php?eID=dumpFile&t=f&f=23930&token=ab9f61d08229d223b108cb44f00aa4db948ad4e4

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9. Funaki, T.; Fukunaga, S., “Difficulties in characterizing transient thermal resistance of SiC MOSFETs”, 2016 22nd International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems (THERMINIC), 21–23 September 2016, Budapest, Hungary, pp. 141–146.

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