今天这篇文章来自马格德堡大学，研究固定or脉冲栅压对SiC MOSFET功率循环寿命的影响
先介绍背景
实际应用中，半导体器件需要进行频繁的开关操作，导致器件内部温度快速变化，
这种由工作状态周期性变化引起的芯片内部温度周期性变化，称为功率循环（Power Cycling）
而芯片内部温度变化，会对器件焊接点、键合线和封装材料产生应力，从而影响长期可靠性
且相比Si材料，SiC材料的杨氏模量更高，温度循环期间，SiC器件会在焊接点产生更明显的塑性应变。
因此，SiC器件的功率循环能力往往比Si器件更低，需要更严格的测试以评估可靠性。
受俘获机制影响，SiC MOSFET阈值电压会出现漂移，可细分为短期可逆漂移与长期永久漂移，
对功率循环测试而言，后者更加关键，因其会改变器件电性能（尤其是Rdon），造成芯片级退化。
SiC MOSFET功率循环测试常采用VSD结温测试法，即，利用体二极管正向压降随温度变化的特性来测量结温，
体二极管正向压降VSD与结温Tj近似呈线性关系，且具备负温度系数——随着温度的升高，压降会减小，
因此只要事先标出VSD-Tj关系曲线，测出器件VSD，便能推出Tj，
具体过程是：
1、导通阶段：
加正栅压，给器件通一个较大的负载电流，这个电流产生热量用以加热器件，模拟真实工作中的发热，此阶段电流流过沟道，
2、关断阶段：
加负栅压，确保沟道关断，再通一个较小的感应电流Isense，确保其只流过体二极管，测出VSD，推出Tj
但这种方法也有缺点
一方面，双极开关条件会加剧栅极开关不稳定性，
已有报道证明双极开关下SiC MOSFET的Vth漂移更显著，且VGS,off越负，漂移越严重。
另一方面，在关断阶段，沟道往往不能完全关闭，一部分电流从沟道流过，影响测试结果准确性。
而本文关注的核心问题正是前者：
脉冲切换栅压和恒定栅压这两种加电方式，对SiC MOSFET功率循环寿命产生的影响到底有何区别？
先解释实验设置，
图片来源：网络
先说脉冲切换栅压实验，
测试电路如上，DUT为被测器件，采用脉冲切换栅压加电模式，
导通时段，负载电流Iload经开关S1流过被测器件，
关断时段，电流经续流回路流通。
图片来源：网络
栅压脉冲如上，+15V / -10V交替出现，
每个脉冲以恒流法测试Vth两次，测试之前，DUT分别经由+15V、-10V的10ms脉冲预处理，
经VGS,on预处理的测试值记为Vthpos，经VGS,off预处理的测试值记为Vthneg，
预处理的栅压极性不同会使Vth测试值产生几百mV偏差，但在功率循环测试中，ΔVthpos与ΔVthneg无差异，后续仅评估ΔVthpos，记为ΔVth。
再说恒定栅压实验，栅压恒定15V，
通过片上温度传感器监测结温，同样测试ΔVth，但不进行预处理，
所有测试均按AQG324标准进行，直至器件失效，失效判定标准为VDS,on,cold升高5%，所有测试中，该失效现象均最先发生。
图片来源：网络
结果如上，这是威布尔分布，
横轴是循环次数Nf，纵轴是累积失效率，曲线越靠右，寿命越长，
整体而言，脉冲栅压（pulsed）曲线更加靠右，固定栅压（const）曲线更加靠左，
从具体数据对比看，任何ΔTj条件下，脉冲栅压的功率循环寿命均明显高于固定栅压，
但你会发现，倒数第二靠右的曲线是VGS= const，Nstart=50，
这里的Nstart是寿命计算起点，在固定栅压测试中这个参数至关重要，因为大部分阈值电压漂移发生在测试开始后的最初几秒内，Nstart定义得越早（越小），测得寿命越短。
因此当Nstart取50时，固定栅压测得的功率循环寿命明显提升，甚至与脉冲栅压测试结果相仿。
这里对可靠性分析有借鉴意义——固定栅压测试中，所测寿命明显受到Nstart的影响，
对同一只器件采用两个不同的Nstart，可能带来相差一倍以上的寿命结果，
在测试前，需谨慎定义Nstart，否则测得的寿命可能没有意义。
另一现象是，随着ΔTj从60K升至90K，固定栅压和脉冲栅压测得的寿命差距逐渐缩小，
为什么会这样？
因为ΔTj较小时，芯片的阈值电压漂移成为决定功率循环寿命的主要因素，
而ΔTj较大时，强大的热机械应力会迅速导致键合线脱落等封装层级失效，芯片本身的差异相比之下反而成为次要因素，于是两种加电方式的寿命差距缩小。
图片来源：网络
这张图，是ΔTj= 60K、ton= 3s、toff= 6s条件下，两种加电方式的测试结果对比，
大概结论如下：
1、固定栅压的Vth漂移远大于脉冲栅压，
此现象的原因，是脉冲栅压周期性施加的负栅压起到类似复位的作用，即，负栅压将栅氧化层捕获的电子排出，从而降低了阈值电压的漂移量。
2、固定栅压的失效模式是芯片参数超限（电阻变化量超限），而脉冲栅压的失效模式是封装失效，
换言之，脉冲栅压测试结果反映的是封装寿命，而固定栅压测试，由于芯片电参数漂移超限，在封装出问题之前，便宣告失效。
小结：
1、SiC MOSFET功率循环实验中，固定栅压的Vth漂移远大于脉冲栅压，
原因是脉冲栅压周期性施加的负栅压起到类似复位的作用，负栅压将栅氧化层捕获的电子排出，从而降低了阈值电压漂移量。
2、固定栅压测试中，所测寿命明显受到Nstart的影响，
对同一只器件采用两个不同的Nstart，可能带来相差一倍以上的寿命结果，
在测试前，需谨慎定义Nstart，否则测得的寿命可能没有意义。
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！
