SiC MOSFET器件瞬态热测试/功率循环测试的挑战与解决方案

 

Si和SiC MOSFET器件之间的⼀些差异会影响瞬态热测试和功率循环测试，而其它差异则仅与功率循环测试相关。在本节，将讨论在两者中影响TSP实现的因素。

 

2.1 SiC MOSFET器件的特性
 

电荷积累：在SiC MOSFET中，这种效应经常发生在半导体栅极氧化物表面，特别是在较旧的制造工艺中。氮退火等新技术有助于减少栅极氧化物中的晶体缺陷，从而减少这个问题。V_th随时间变化的而引起的变化可能会干扰瞬态测量，因此应谨慎使用与阈值电压相关的TSP，例如使用MOS-Diode模式进行测试。

 

寄生电流流动：由于亚阈值电流较高，在体⼆极管上测量温度时，必须使用负V_GS来抑制沟通中的平行电流。

 

图6显示了SiC MOSFET器件中体⼆极管上V_F正向电压在V_GS= 0V、–2.5V、–5V和–6V时的变化。纵轴以“准温度”（电压变化乘以TSP）以获得早期瞬态信号的最佳比较。

 

图6：在不同V_GS下测量体⼆极管的“准温度”变化

 

可以看出，对于此被测的实际器件，V_GS= –5V和–6V时的瞬态响应几乎相同，因此没有必要进⼀步降低V_GS。

 

Simcenter Power Tester功率循环测试设备中的栅极驱动电路具有+20V和–10V范围内的正负V_GS能⼒，可以帮助实现这种测量方法。

 

体二极管上的高正向电压：SiC MOSFET器件体⼆极管在施加测试电流（I_sense）时，V_F正向电压可能接近或高于3V，在驱动电流（I_drive）时甚至更高。当体⼆极管上发生加热和测试时，或者按照图5所示的组合测试方案中，这可能会成为⼀个障碍。

 

Simcenter Power Tester旨在测量更多串联的SiC MOSFET器件链。设备允许串联最多四个器件，每个器件上的最大压降为3V，例如测试两个半桥电路时。

 

感性电压尖峰：在功率循环测试系统中，寄生的导线电感无法像电源转换器设备中那样彻底优化。在数百安培的电流下，会存储大量的感应能量，在加热电流关闭后可能需要数十微秒的时间才能释放/耗散。在图5的测试方案中，栅极电压也必须进行切换。如果在正漏极电流仍在流动时发生这种切换，则产生的高电压尖峰可能会影响器件寿命，甚至可能损害测试系统。

 

Note: 更多关于感性电压尖峰的内容可以参见我司早期的公众号介绍： 如何在使用 Power Tester 产品时更好地降低电压尖脉冲(voltage spike)

 

为了保护两者，I_drive和V_GS的切换需要及时分开。

 

Simcenter Power Tester允许用户选择所需的栅极电压开关延迟，从而支持在系统保护和电瞬态长度之间找到最佳值。

 

图7：⼀个功率MOSFET器件上的初始电压变化，具有16μs栅极电压延迟（蓝色曲线）和不具有16μs栅极电压延迟（红色曲线）的对比

 

图7显示了SiC MOSFET（MD120HFR120C2S）在10A驱动和-1A测试电流下的开关瞬态。在这些电流下的试验表明，16μs的栅极电压延迟消除了开关期间的电压尖峰。

 

除了上述主动电压尖峰保护之外，为了获得更好的SiC MOSFET 测试性能，Simcenter Power Tester 输入端的过压保护也得到了改进。

 

在最新的Simcenter Power Tester测试功能中，系统提供了导线电感识别功能和自动设置栅极延时的功能，帮助用户识别对被测器件接线的合理性，并且自动帮助用户设置合理的栅极延时。

 

图8：导线电感识别功能以及自动栅极延时设置的界⾯

 

2.2 SiC MOSFET 器件的功率循环测试
 

功率循环的主要停止指标之⼀与高电流时器件两端电压的增加有关，以V_D,on和R_DSON表示。

 

在许多情况下，V_D,on的增加表明连接漏极和源极的键合线的直接退化或其它相关的退化机制。然而，越来越高的R_DSON也可能是芯片温度升高的结果，这是由于热传导路径的降级，包括：Die-Attach、分层、裂纹等造成的。在SiC MOSFET器件中，在I_drive电流下，V_D,on大致与R_DSON成正比。这样，其与温度相关的增长高于IGBT的V_sat饱和电压的增长。因此，这种可逆的增加可能会主导测得的V_D,on，导致提前停止测试过程并低估实际寿命。

 

ECPE AQG-324指导的附录III的第14页建议定义和监控额外的冷端通态器件电压（V_DS,on,cold）参数，以避免由于温度变化而导致循环提前停止。不管怎么样，该指导为用户提供了如何定义V_DS,on,cold参数的自由。

 

Simcenter Power Tester提供了两种替代解决方案。

 

加热开始时测量的冷端通态电压：V_on,cold参数在加热阶段开始时测量。对于准确的时序，必须考虑开关模式电源提供的高负载电流，并且电流在调节时间后稳定，这取决于设置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，该时间延迟需要足够长以使加热电流稳定，但又需要足够短以最小化温度升高。

 

该方法的优点是它在正常循环条件下工作，因此可以在每个循环中捕获V_on,cold。然而，其精度受到直到加热电流稳定在所需的设定水平时，温度升高的限制。

 

图9：冷端通态电压测量示意图

 

在降低的负载电流下测量的通态电压：V_{on, LP}参数是在降低的加热电流水平下捕获的。加热功率随加热电流呈⼆次方减小，即负载电流降低10倍，负载电压降低10倍，但功耗和温度变化降低100倍。该参数的优点是，通过正确选择加热电流，可以很好地控制温度变化的影响，但需要在测试流程中插入特殊的功率循环测试，限制了监测的时间分辨率。

 

图10：在降低的负载电流下测量的通态电压示意图

 

Simcenter Power Tester中，上述两个定义的参数均可用作功率循环测试停止的指标。

 

结论  

 

新半导体材料的引入极大地改变了电力电子领域。SiC器件广泛应用于汽车、牵引、功率转换等应用。该半导体的宽禁带（高电离能）导致高温下载流子浓度低和介电强度高，从而将高速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颖的测试概念，包括在功率循环测试中进行热特性和可靠性测试。

 

器件中的最热点是半导体芯片。在瞬态热测试和大多数功率循环测试解决方案中，芯片的温度相关电气参数用于捕获结温度变化。

 

在MOSFET结构中，体⼆极管是最常用的测量温度的部分。在SiC器件中，电荷捕获可能会导致瞬态信号在较长的时间内发生变化。此外，器件沟道中的寄生电流在零栅极电压下流动。在测试时和正常操作时，这些影响都可以通过负栅极电压来抑制。

 

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实际负载条件，晶体管的发热通常发生在沟道电阻的导通状态下。在冷却开始时，加热电流和栅极电压都需要切换。适当的定时控制以及两个开关事件的适当分离，可以防止电压尖峰损坏测试样本和测试系统。

 

在可靠性测试中，所有器件类型的寿命终止指标之⼀是高电流下通态电压的增加。这主要表明封装内部电气互连的退化，但器件温度也会影响该参数。对于SiC器件，热效应可能占主导地位，因此需要引入新的监控参数。在加热之前冷端或在低加热电流下，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 Power Tester，用户可以实施满足上述所有要求的解决方案，为测试SiC器件提供全面支持。

 

上篇：Simcenter为瞬态热测试和功率循环测试提供全面支持

 

参考资料

 

1. JEDEC Standard JESD51–1: “Integrated Circuits Thermal Measurement Method – Electrical Test Method (Single Semiconductor Device)”, December 1995. Available online: https://www.jedec.org/sites/default/files/docs/jesd51–1.pdf

 

2. ECPE Guideline AQG 324, Qualification of Power Modules for Use in Power Electronics Converter Units in Motor Vehicles, Available online:

https://www.ecpe.org/index.php?eID=dumpFile&t=f&f=23930&token=ab9f61d08229d223b108cb44f00aa4db948ad4e4

 

3. Marta Rencz, Gábor Farkas, András Poppe, Theory and Practice of Thermal Transient Testing of Electronic Components, 2023, First Edition, Springer, DOI:/10.1007/978-3-030-86174–2.

 

4. Kumar, V.; Maan, A.S.; Akhtar, J. Barrier height inhomogeneities induced anomaly in thermal sensitivity of Ni/4H-SiC Schottky diode temperature sensor. J. Vac. Sci. Technol. B 2014, 32, 041203.

 

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8. J. Lutz , H. Schlangenotto , U. Scheuermann , R. De Doncker, Semiconductor Power Devices Physics, Characteristics, Reliability, 2018, Second Edition, Springer.

 

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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