今天这篇文章来自不莱梅大学，主要内容是研究SiCMOSFET芯片设计对器件功率循环能力的影响。
先介绍背景，
已有研究证明，当前商用SiCMOSFET产品的功率循环能力与芯片结构存在相关性，不同设计方案的功率循环能力存在明显差异，
然而如果直接对比两种不同结构的商用SiCMOSFET产品，很难抽离出芯片结构对功率循环能力的影响，
因为封装相关的变量（封装形式、键合线数量直径、模塑料等）也会影响最终结果。
基于此，本文旨在研究芯片结构对SiCMOSFET功率循环能力的影响，
具体方法，是在不同结温波动ΔTvj下，研究两种相同封装形式、不同芯片结构的SiCMOSFET功率循环能力。
这里提一下，ΔTvj指功率循环试验中，器件结温从最低到最高的变化幅度，
功率器件在开关过程中会产生自热效应，引发结温波动，ΔTvj是评价器件可靠性的重要参数之一。
接下来，进入正题，
被测器件（DUT）采用两种不同设计方案（且称为方案A和方案B），各自选用36只器件进行对比，
额定电压均为1200V，均采用SOT-227封装，在同一条产线完成封装，
两种器件的键合线数量、直径完全一致，最大限度降低封装对试验结果的干扰。
图片来源：网络
芯片及封装参数如上，注意除额定电阻不同，AB的芯片厚度也有明显差异。
方案A、方案B的芯片宽长比、元胞设计以及电阻温度依赖性均有明显差异，
对两种器件进行ΔTvj分别为100K、80K、60K的功率循环试验，每组试验包括12只器件，
图片来源：网络
具体试验条件如上，
由于额定导通电阻及其温度依赖性存在差异，两种方案的负载电流有所差异，
本次试验将VDS的阶跃式上升作为失效判据。
图片来源：网络
试验结果如上，左图为A，右图为B，各取一典型器件进行对比，
自上而下，依次是VDS、Rth,n（热阻）以及ΔTvj，
VDS曲线中的红色竖线表示器件失效。
两种器件在寿命末期均出现VDS阶跃式上升，而热阻无明显变化，这表明键合线脱落是主要失效机制，
这不是孤例，AB两种方案共72只器件均呈现此现象，表明键合线脱落是普遍失效机理。
但AB的失效过程存在区别，
对比第一次键合线失效后的VDS表现，A的VDS在下次键合线失效之前保持稳定，而B的大多数器件VDS在下次键合线失效之前持续增大，
这表明两种设计方案的退化加速机制存在差异。
图片来源：网络
两种器件的Weibull分布如上，部分测试器件因失效时间不明确，未纳入统计。
先看形状因子（Weibullshapefactor），它可以描述失效分布形态，是Weibull分布的关键参数，
定量计算比较复杂，不在这里赘述，各位有兴趣可以搜索计算方法，
仅从肉眼定性观察，ΔTvj=100K时，AB的形状差异应该较大，因为两条拟合线相交，
另外两种ΔTvj条件，AB的形状差异应该较小，因为拟合线大体平行。
这与后续的定量计算结果一致。
形状因子相似，意味着两种设计的内在失效分布相同，
即，AB很可能遵循相同的失效物理机制（如键合线脱落），而ΔTvj=100K时的偏差可能是因为高温条件下出现了其他影响因素。
图片来源：网络
具体试验结果如上，
可以看到，两种器件在所有条件下，Weibull形状因子都大于1，表明失效机制属于磨损型失效（wear-out），
即，随着循环次数增加，失效概率逐渐上升，这也符合功率循环实验中，键合线因热机械疲劳而逐步退化的预期。
另一个关键参数，Weibullscalefactor（尺度因子），代表特征寿命，即63.2%的器件失效时的循环数。
作者将尺度因子视为失效循环数Nf，作为后续寿命模型拟合的输入。
图片来源：网络
如上，基于Coffin-Manson方程，对实验数据点进行拟合，建立寿命预测模型，
图中已经标注了公式（注意是单一幂律），Nf和ΔT已有数据，算出系数A和α即可，
蓝线是A，橙线是B，
A的三个数据可以用一条拟合曲线精准模拟，表明符合经典模型，
B的数据就无法用一条曲线模拟，
若用100K和80K的数据建模，预测60K寿命，预测值比实测值低1.93倍，
若用80K和60K的数据建模，预测100K寿命，预测值比实测值低1.55倍，
这现象表明，B方案的寿命与温度波动的关系，不是简单的单一幂律关系。
为精确拟合，作者计算不同温度区间内，B的局部α系数，
结果显示，60K~80K，α≈-5.47,
80K~100K，α≈-3.31,
即，B方案的系数α并非常数，随着ΔTvj的变化而变化，换言之，B的测试结果难以用现有寿命模型描述。
而A方案的系数α在整个温度区间内都是常数，为-6.76。
将α的计算结果与主流硅器件寿命模型对比，例如LESIT模型的-5、CIPS08模型的-4.4以及SKiM63模型的-4.9，
A方案的α更负，这意味着A器件的寿命对温度波动更敏感，温度波动稍微增加，寿命下降得更快。
另外，已有报道证明，Si器件中，芯片厚度会影响功率循环能力，例如CIPS08寿命模型通过区分电压等级，将其纳入考虑。
而本研究数据证明，芯片厚度与寿命曲线斜率（系数α）存在相关性，
芯片越薄，α越负，寿命曲线斜率越陡。
另，已有研究表明Vth稳定性、Rdon温度依赖性均会影响SiC器件的功率循环能力，
本研究被测器件试验前后Vth基本稳定，可排除前者影响，
Rdon温度依赖性对功率循环能力的影响，遵循逻辑如下：
随着温度升高，Rdon增加，相同电流下产生更多热量，导致结温进一步升高，电阻更大……于是形成正反馈机制，加速键合线等薄弱部位的退化，缩短失效循环次数。
根据产品手册，AB两种方案的Rdon温度依赖性确实不同，
但由于缺乏具体数据，无法在Nf和Rdon温度依赖性之间建立量化关系，因此无法确定该因素对实验结果的影响程度。
最后感慨一句，
看到最后，也没有发现AB到底是哪两种结构，作者守口如瓶，
这种匿名式研究，可以理解，但不免惋惜，
小结：
1、在不同结温波动ΔTvj下，研究两种相同封装形式、不同芯片结构的SiCMOSFET功率循环能力，
2、AB两种器件在寿命末期均出现VDS阶跃式上升，而热阻无明显变化，这表明键合线脱落是主要失效机制，
但AB的失效过程存在区别，第一次键合线失效后，A的VDS在下次键合线失效之前保持稳定，而B的大多数器件VDS在下次键合线失效之前持续增大，表明两种设计方案的退化加速机制存在差异。
3、A的三个数据可以用一条拟合曲线精准模拟，表明符合经典模型，
B的系数α并非常数，随着ΔTvj的变化而变化，换言之，B的测试结果难以用现有寿命模型描述，
4、芯片厚度、Vth稳定性及Rdon温度依赖性均会影响SiC器件的功率循环能力。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
点击下方图片免费领取产品规格书
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
