Med zadnjimi trendi na trgu polprevodnikov je tudi vsesplošno uvajanje komponent iz silicijevega karbida (SiC) pri razvoju novih izdelkov, vključno s zapornimi Schottky diodami (SBD) in močnostnimi MOSFET-i za industrijske aplikacije in v avtomobilski industriji. Hkrati je dolgoročna zanesljivost teh naprav zelo vroča tema, ki bi jo bilo nujno treba obravnavati, saj je na voljo malo terenskih podatkov za analizo.
Nekateri ponudniki SiC component so začeli SiC razvrščati v skladu s strogimi industrijskimi in avtomobilskimi standardi (AEC-Q101), drugi pa so celo presegli zahteve teh standardov, da bi s tem zagotovili tudi pogoje za stroge teste robustnosti. Ta strategija razvrščanja in preskušanja je v kombinaciji z uporabo posebnih pravil načrtovanja ključnega pomena za doseganje visoke robustnosti pred pojavom lavinskega efekta, da lahko SiC komponente zdržijo uporabo v kritičnih aplikacijah.
Hitra rast trga
Rast tržnega deleža SiC izdelkov naj bi se v prihodnjih letih pospešila, glavno gonilo te rasti pa bo elektrifikacija v transportnem sektorju. SiC matrice bodo bistveni gradnik v modulih za aplikacije, kot so polnilniki na vozilu in pogonski sistemi pogonskih motorjev. Zahvaljujoč visokemu nivoju kritičnega električnega polja za začetek pojava lavinskega efekta imajo lahko visokonapetostne SiC komponente veliko manjše ohišje kot njihove silicijeve različice, poleg tega pa lahko delujejo pri višjih preklopnih frekvencah. Zelo privlačne so tudi SiC-jeve termalne lastnosti, z odličnim odvajanjem toplote in zmožnostjo delovanja pri povišanih temperaturah. V praksi je največja delovna temperatura običajno 175 ° C in redko presega 200 ° C, glavna omejitev pa je postopek sestavljanja (spajkanje kovine, material ohišja). SiC komponente so same po sebi bolj učinkovite od silicijevih in število posameznih matric v nekem modulu lahko drastično zmanjšamo, če namesto silicijevih uporabimo SiC matrice.
Ko so se SiC komponente iz raziskovalnih laboratorijev preselile na običajne trge, so bili premagani tudi glavni izzivi, povezani s povečanjem obsega njihove proizvodnje. Da bi olajšali ta prehod, tovarne teh komponent postavljajo na že obstoječih silicijevih proizvodnih linijah SiC orodja za zamenjavo. Takšna organiziranost omogoča znižanje stroškov za izdelavo SiC matric, saj se režijski stroški delijo s proizvodnjo Si matric. Nedavne omejitve glede razpoložljivosti rezin postajajo vse manj pomembne, saj se število ponudnikov rezin znatno povečuje. Nenehne izboljšave substrata 4H-SiC in rast epitaksije so pripeljale do visokokakovostnih 6-palčnih rezin z nizko gostoto napak v kristalu. Visoka kakovost uporabljenih rezin se pri preskusih električnih parametrov izkaže kot visoka stopnja uporabnosti, ki jih prinašajo SiC komponente.
Pomembno pa je vedeti, da so podatki s terena glede zanesljivosti teh komponent omejeni, saj so na tržišču na voljo šele nekaj let. Tudi kvalifikacija SiC komponent je bila s svojimi izzivi bistveno zahtevnejša od silicijevih. Električno polje v stanju nasprotne polarizacije je pri SiC komponentah je skoraj za razred večje. Brez ustreznih pravil pri načrtovanju lahko to visoko električno polje zlahka poškoduje oksid vrat. Tudi gostota pasti v bližini vratnega oksidnega vmesnika je tudi pri SiC veliko večja. Posledično lahko med preskusi delovanja nastanejo nestabilnosti, ko se pasti električno nabijejo. Vztrajno osredotočanje na dolgoročno izboljšanje zanesljivosti je dalo pomirjujoče rezultate ob nedavnih poročilih o komponentah, ki ustrezajo strogim industrijskim in avtomobilskim standardom (AEC-Q101).
Poleg tega so ponudniki SiC komponent ob zagotovljenih podatkih začeli z naslednjim korakom pri testih robustnosti v težkih pogojih delovanja.
Preizkušanje robustnosti v težkih pogojih
Primer takega preizkusa robustnosti v težkih pogojih je Microchip izvedel prek hčerinske družbe Microsemi na svojih SiC SBD-jih in MOSFET-ih za napetostna območja 700, 1200 in 1700 V. Preizkusi so pripeljali do ugotovitve, da je visoka stopnja robustnosti induktivnega preklopa (UIS) ključnega pomena za dolgoročno zanesljivost delovanja. Pokazali so, da med preskusom UIS obstaja visok prehodni tok, ki teče skozi nasprotno polarizirano komponento in ta jo vodi naprej v lavinski efekt. Skupni učinek visokega toka in napetosti povzroči znatno proizvodnjo toplote in močno zvišanje temperature. Lokalno lahko najvišja temperatura doseže tudi do 500°C, kar je tudi za robustne MOSFET močnostne tranzistorje precej nad običajnim temperaturnim območjem.
Robustnost UIS je močno odvisna od kakovosti epitaksije in proizvodnega procesa celotne proizvodne linije. Celo najmanjše kristalne napake v epitaksiji ali s procesom povezane napake bi lahko predstavljale šibke točke, zaradi katerih bi komponenta med UIS preskusom prezgodaj odpovedala. Zato bi morala temeljita analiza robustnosti neke družine izdelkov vključevati eno-impulzni in ponavljajoči se UIS (RUIS testiranje, Repetitive UIS).
Preskus z enim impulzom se izvaja kot presejalni test za prepoznavanje komponent z nizko UIS robustnostjo. Da bi zagotovili UIS, ki jo podajamo v tehnični dokumentaciji izdelka, je treba vse komponente preizkusiti, preden jih pošljemo strankam, vendar je zelo verjetno, da bo posamezna komponenta v svoji življenjski dobi na terenu doživela večje število UIS dogodkov. Za podatek o stopnji postopnega obrabljanja komponente so potrebni ponavljajoči se preskusi. Za poglobljeno karakterizacijo je treba komponento izpostaviti veliko večjemu številu impulzov, običajna praksa je v tem primeru 100.000.
Med UIS impulzom tok v preskušani komponenti neprekinjeno pada, napetost pa ostaja v bistvu konstantna, vendar z rahlimi spremembami zaradi temperaturnih učinkov (slika 1). Energijo UIS impulza je določata največji tok na začetku impulza in induktivnost bremena. V preskusnem postopku je bila energija nastavljena s spreminjanjem vrednosti induktivnosti. Največji tok je bil konstanten; enaka je nazivnemu toku SBD v prevodni smeri in dvema tretjinama nazivne vrednosti delovnega toka MOSFET-a.
RUIS preskusi imajo posebne omejitve, predvsem za preprečevanje kopičenja temperature med enim in drugim impulzom. Pred novim impulze je pomembno zagotoviti, da je temperatura komponente blizu temperature okolice. V nastavitvi za preskus, prikazane na sliki 1, temperaturo komponente nadziramo s senzorjem, ki temperaturo zaznava točkovno s termo parom, hitrost ponavljanja impulzov pa nastavimo tako, da dobimo konstanten odčitek. Da bi se komponenta bolje ohlajala, je nameščena na hladilniku in še dodatno hlajena z ventilatorjem.
Zasnova komponente za visoko lavinsko odpornost
Poleg upoštevanja ustreznih preskusnih postopkov pa najboljša UIS robustnost v svojem razredu zahteva tudi uporabo naslednjega sklopa pravil pri samem načrtovanju SiC komponent:
- Visokonapetostni zaključek je zasnovan z dovolj visoko lastno napetostjo izpada, s čimer je zagotovljeno, da aktivno območje najprej zapade v lavinski efekt. Pod takimi pogoji se energija razprši po celotnem aktivnem območju in ne le v ozkem zaključku, kar bi povzročilo prezgodnjo odpoved komponente.
- Zaščita pred električnim poljem v območju JFET MOSFET-a je ključnega pomena za zaščito oksida vrat. Načrt in shemo P-dopiranih vdolbinic, ki omejujejo območje JFET, je treba skrbno optimizirati, da zagotovita ustrezno zaščito, ne da bi s tem bistveno vplivala na upornost komponente v prevodnem stanju.
- Pasivacijski material z visoko toplotno prevodnostjo zagotavlja pot za difuzijo nastale toplote skozi zgornjo stran matrice.
Tako Schottkyjeve diode kot tudi močnostni MOSFET-i, ki so bili zasnovani po teh pravilih, se pri zahtevnih testih robustnosti dobro obnesejo. SBD je bila ponovno preizkušena do okvare z eno-impulznim in ponavljajočimi se UIS ter s spremljanjem več enosmernih parametrov. Rezultati tega preskušanja kažejo, da napetost in povratni tok puščanja teh diod ostajata zelo stabilna, medtem ko se napetost preboja pri obrnjeni polariteti nekoliko poveča, kar lahko pripišemo prostim nosilcem, ki se ujamejo v bližini zgornje ploskve SiC. Energije impulzov tik pred okvaro so prikazane na sliki 2. Robustnost UIS narašča z nazivno napetostjo komponente. Ta trend je mogoče razložiti ob upoštevanju, da se večina toplote proizvaja v območju epitaksije. Ko se debelina epitaksije povečuje z napetostjo, se proizvodnja toplote na enoto prostornine zmanjša, kar posledično zmanjša temperaturo v napravi. Robustnost UIS je tudi sistematično nižja pri ponavljajočih se testih, vendar v manjši meri. Razlika v primerjavi z eno-impulznim UIS je manjša od 10 odstotkov. Več UIS impulzov nima močnega kumulativnega učinka in pričakuje se, da bodo SBD vgrajeni v aplikacije obdržali lavinsko odpornost skozi celotno življenjsko dobo.
Opredelitev MOSFET-a za visoko stopnjo robustnosti se mora osredotočiti na dolgoročno zanesljivost vratnega oksida, ki ne zahteva obremenitve komponent vse do okvare. Namesto tega je bil uporabljen ponavljajoči se test, sestavljen iz 100.000 impulzov z razmeroma nizko energijo. Primer je MOSFET Microsemi 1200 V / 40 mΩ, ki je bil zasnovan s pravili za lavinsko odpornost in je bil preizkušen z impulzi 100 mJ; medtem ko je energija eno-impulznega UIS znašala 2,0 J. Na večino enosmernih parametrov to ni vplivalo, vendar je ta test toliko vplival na oksid vrat, da je bilo opaziti zmerno povečanje puščanja vrat. Da bi ugotovili, ali je bila zaradi tega ogrožena dolgoročna zanesljivost komponente, so bili deli podvrženi časovno odvisni dielektrični okvari. Časi okvare s 50 µA enosmernega toka na vratih so prikazani na sliki 3 za kombinacijo različnih komponent, vključno s SiC komponentami Microsemi, ki so bile razvite po pravilih o lavinski odpornosti tega podjetja in ostalimi, ki jih proizvajajo drugi trije vodilni svetovni proizvajalci.
Ohranjanje trenda uvajanja SiC tehnologije
Uvajanje SiC komponent na industrijskem in avtomobilskem trgu je prineslo stroge dolgoročne zahteve glede zanesljivosti. Optimalna strategija za reševanje teh zahtev je uskladitev izdelkov z avtomobilskim standardom AEC-Q101 in izvedba karakterizacij za preskuse izjemne robustnosti, ki še niso standardizirani, prav tako pa je za visoko lavinsko robustnost SiC komponent pomembna uporaba priporočenih pravil pri njihovem načrtovanju. Ti koraki bodo skupaj pomagali zagotoviti, da se uporaba SiC komponent ne bo le pospešeno nadaljevala, temveč da bodo te komponente tudi dolgoročno zagotavljale zanesljivost, ki jo zahtevajo te aplikacije.
Avtorji članka: AmauryGendron-Hansen, inženir načrtovanja komponent, podružnica Microsemi Microchip Technology, Avinash Kashyap, direktor podjetja SiC Technology & Development, hčerinske družbe Microsemi Microchip Technology in Dumitru Sdrulla, direktor oddelka za razvoj komponent v hčerinskem podjetju Microsemi Microchip Technology
2021/293
