SiC MOSFET加速应力退化研究

摘要

作为新一代宽禁带半导体材料，碳化硅(Silicon Carbide，SiC)已经展现出优良的电学、热学特性，基于SiC材料的功率器件具有耐高温、耐高压、低损耗、开关速度快等优点。近年来，SiCMOSFET制造技术迅速发展，已经在电动汽车、光伏逆变器等领域有了初步的市场化应用，显著提高了装置的工作频率和整机效率，SiC器件取代传统硅(Silicon，Si)器件已经成为电力电子领域的趋势。然而，由于SiCMOSFET栅介质层存在大量的界面态陷阱，其潜在的退化严重影响了器件的长期可靠运行；此外，目前SiCMOSFET广泛沿用传统Si器件封装结构，但在实际运行中，SiCMOSFET往往承受更加严峻的热机械应力，这也极易导致器件封装出现退化，栅氧化层质量和封装可靠性严重制约了SiCMOSFET的商业化发展。现阶段对于SiCMOSFET可靠性和退化的研究仍然存在问题和不足，因此需要进一步开展工作，本文主要研究工作和结论如下：　　第一，目前关于SiCMOSFET封装退化的研究主要集中在功率器件模块，对分立器件的封装退化研究较少，因此本文首先搭建了研究分立器件封装退化的功率循环试验平台，设计并实现参数在线测量电路以及上位机采集系统；制定若干组加速退化试验方案并收集特征参数退化数据，通过分析参数变化趋势推测器件封装的退化过程，并结合超声扫描和光学观察等手段验证封装产生的退化；详细讨论了功率循环试验中两个重要因素-结温波动和平均结温对器件封装退化的影响，此外，对焊料层电阻的退化也设计实验进行了探究。实验结果表明，SiCMOSFET键合线先于焊料层退化，并且最终与芯片完全分离，导致开路故障；高平均结温和高结温波动都会引起垂直封装内部具有不同热膨胀系数的相邻层热机械应力加剧，导致器件封装退化加速。　　第二，根据设定的器件功率循环寿命阈值标准，提取在不同应力(结温波动、平均结温、负载电流)作用下的器件寿命周期，基于试验数据和传统功率器件解析寿命模型，建立了与不同应力相关的三种寿命模型，可以直接根据器件工作条件对SiCMOSFET封装寿命进行预测。经验证模型准确度较高，可以为热疲劳导致的器件封装失效进行可靠的评估预测。　　第三，目前针对SiCMOSFET的退化研究往往侧重于单一剧烈应力下器件老化，而在SiCMOSFET实际应用于电力电子装置中，器件可能同时承受多种应力(如高温、高偏压)共同作用并且始终伴随着PWM高频开关应力。因此本文搭建了应用范围广泛的功率因数校正变换器，并设计了严苛的工作条件使器件尽限运行，通过在线参数采集技术和离线敏感参数对比分析推测潜在的退化，结合TCAD仿真验证多应力作用下器件的退化机理。结果表明，多应力共同作用下，SiCMOSFET的封装和芯片本身均有退化，而导致封装退化的原因是高结温和周期性结温波动引起键合线根部出现分层缺陷；TCAD仿真表明高电场应力导致沟道和JFET区域热空穴注入栅氧化层是引起芯片退化的主要原因。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 可靠性研究现状

1.2.1 功率循环应力下可靠性研究

1.2.2 栅氧化层和界面态可靠性研究

1.2.3 重复极限应力下可靠性研究

1.3 研究存在的问题

1.4 论文研究的主要内容

第 2 章 功率循环老化试验设计

2.1 功率循环试验介绍

2.2 TO-247-4L 封装

2.3 功率循环试验装置设计

2.3.1 总体方案设计

2.3.2 壳温测量方法

2.3.3 结温测量方法

2.3.4 退化参数表征

2.4 功率循环试验方案

2.5 本章小结

第 3 章 功率循环应力下器件退化研究及寿命预测

3.1 封装退化分析

3.1.1 退化机理分析

3.1.2 结温波动对器件退化影响

3.1.3 平均结温对器件退化影响

3.1.4 焊料层电阻退化研究

3.2 芯片退化分析

3.3 预测模型介绍

3.4 模型初步建立

3.4.1 考虑 ΔTj的模型

3.4.2 考虑 Tjm和 ΔTj的模型

3.4.3 考虑 Tjm、ΔTj和 Iload的模型

3.5 本章小结

第 4 章 变换器应力下器件退化研究

4.1 功率因数校正技术及系统设计

4.1.1 PFC 技术介绍

4.1.2 Boost PFC 系统设计

4.2 SiC MOSFET 电、热应力分析

4.3 导通压降在线监测

4.4 SiC MOSFET 导通电阻退化

4.5 SiC MOSFET 芯片退化

4.6 退化机理分析

（1）封装退化机理

（2）芯片退化机理

4.7 本章小结

第 5 章 论文总结和展望

5.1 论文工作总结

5.2 今后工作展望

参考文献

致 谢

附录 攻读学位期间取得的研究成果