功率器件高溫可靠性測(cè)試加速老化模型及其測(cè)試條件綜述

王延浩， 鄧二平， 嚴(yán)雨行， 吳立信， 黃永章，2

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2.華電(煙臺(tái))功率半導(dǎo)體技術(shù)研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264006；3. 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著功率器件在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用,其嚴(yán)苛環(huán)境下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行能力引起廣泛關(guān)注,尤其是高溫環(huán)境下,電子或空穴遷移率的變化導(dǎo)致器件電學(xué)特性變化以及封裝材料參數(shù)變化,進(jìn)而導(dǎo)致熱失效[1]。此外,器件封裝材料的老化也可能導(dǎo)致芯片性能的失效,如硅膠老化導(dǎo)致的絕緣性能下降可能引起芯片耐壓擊穿等[2]。對(duì)于如絕緣柵雙極型晶體管(Insulator Gate Bipolar Transistor, IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)等功率器件,以國際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission, IEC)為代表的各類國際、國內(nèi)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要包含高溫反偏(High Temperature Reverse Bias, HTRB)測(cè)試、高溫柵偏(High Temperature Gate Bias, HTGB)測(cè)試[3-5]。此外,對(duì)于電動(dòng)汽車及海上風(fēng)電等應(yīng)用工況[6],高溫和高濕環(huán)境同時(shí)存在,高溫高濕反偏或溫濕度偏置(High Humidity High Temperature Reverse Bias, H3TRB或THB)測(cè)試、高溫高濕高壓反偏測(cè)試(High-Voltage High Humidity High Temperature Reverse Bias Test, HV-H3TRB)被廣泛應(yīng)用[7,8]。

對(duì)于上述可靠性測(cè)試,一系列標(biāo)準(zhǔn)從測(cè)試電路、測(cè)試條件、測(cè)試流程、數(shù)據(jù)測(cè)量等方面進(jìn)行了論述[3-5,7,8]。然而,各類標(biāo)準(zhǔn)雖然繁多,但加速老化機(jī)理不明、測(cè)試條件不盡相同,測(cè)試條件選取的原則和依據(jù)無從定論等問題,反而使得測(cè)試條件、測(cè)試樣本量的選取等出現(xiàn)困擾,嚴(yán)重限制了實(shí)際可靠性測(cè)試的效率及其結(jié)果。更為重要的是,隨著芯片和封裝技術(shù)的不斷提升,常規(guī)的1 000 h高溫考核可能無法暴露器件存在的問題,而增加測(cè)試時(shí)間又大大增加了研發(fā)成本和研發(fā)周期,因此,必須深入了解器件的高溫失效機(jī)理、加速老化機(jī)制和測(cè)試條件確定原則才能滿足未來的研究需求。

為深入探究高溫可靠性測(cè)試(HTGB、HTRB、H3TRB)加速老化模型及相關(guān)測(cè)試條件的選取原則和依據(jù),進(jìn)而解決測(cè)試條件選取原則及依據(jù)不明的問題,本文首先論述了單個(gè)或耦合的溫度、電場(chǎng)、濕度加速老化模型。進(jìn)一步地,總結(jié)現(xiàn)有各類標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件,綜合JEP122等標(biāo)準(zhǔn)[9]、相關(guān)測(cè)試模型參數(shù),以電動(dòng)汽車工況為算例,計(jì)算了器件正常運(yùn)行30年壽命對(duì)應(yīng)HTGB、HTRB、H3TRB加速老化測(cè)試需分別考核832 h、866 h、1 038 h,測(cè)試的樣本數(shù)均為70。最后,提出了測(cè)試樣本、測(cè)試時(shí)間可調(diào)的高溫可靠性測(cè)試流程,解決了目前可靠性測(cè)試測(cè)試條件選取不明的問題。

1 加速老化模型

MOSFET器件的HTGB、HTRB、H3TRB老化測(cè)試電路如下圖1所示,這里以歐洲電力電子研究中心標(biāo)準(zhǔn)AQG324[10]為例進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。對(duì)于HTGB,主要考核柵氧化層完整性、柵氧化層/半導(dǎo)體層邊界狀態(tài)及可動(dòng)離子對(duì)半導(dǎo)體的污染。對(duì)于HTRB/H3TRB,主要考核芯片鈍化層、芯片終端處易失效的弱點(diǎn),尤其是H3TRB重點(diǎn)還考慮了水汽入侵對(duì)終端可靠性的影響。

圖1 HTGB, HTRB, H3TRB測(cè)試電路

溫度場(chǎng)和電場(chǎng)是HTGB、HTRB、H3TRB三個(gè)老化測(cè)試所共有的加速因子。溫度場(chǎng)的作用是為了增大電子或空穴遷移率,增大碰撞電離或暴露污染離子,進(jìn)而加速柵氧化層或鈍化層老化;電場(chǎng)的作用是為了增大電子遷移速率或積聚污染離子,進(jìn)而加速柵氧化層或鈍化層老化。對(duì)于H3TRB,還存在濕度場(chǎng)作為加速老化因子,濕度場(chǎng)的作用是為了增大金屬離子電化學(xué)遷移現(xiàn)象的速率,加快電樹枝的形成,進(jìn)而加速鈍化層老化。一般情況下是上述電場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的共同作用,尤其是海上風(fēng)電的應(yīng)用工況。因此,為了簡(jiǎn)化加速老化過程,需首先論述如單個(gè)物理場(chǎng)的加速老化作用,再論述電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)的疊加作用?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中,只有JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中定義了各測(cè)試的加速老化模型,本文所引用的模型大部分也來源于此標(biāo)準(zhǔn)[9]。

1.1 溫度加速老化模型

1.1.1 Arrhenius加速老化模型

Arrhenius模型是由Svante Arrhenius于1889年通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)提出的經(jīng)驗(yàn)公式,被廣泛應(yīng)用于描述化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系[11],其優(yōu)點(diǎn)在于適用于所有的基元反應(yīng),對(duì)部分復(fù)雜反應(yīng)也適用,缺點(diǎn)在于對(duì)溫度范圍較寬或較復(fù)雜的反應(yīng)擬合效果不好。Arrhenius模型表達(dá)式如下式所示:

(1)

式中:R為反應(yīng)速率;γ0為材料相關(guān)的比例系數(shù);Ea為活化能;k為玻爾茲曼常數(shù);T為開爾文單位下的熱力學(xué)溫度。由式(1)可計(jì)算基于Arrhenius理論的加速老化因子:

式中:AF為加速老化因子;TA為加速老化測(cè)試溫度;TU為正常使用工況溫度;RAr(TA)為加速老化下反應(yīng)速率;RAr(TU)為正常使用工況下反應(yīng)速率。Arrhenius加速老化模型是目前應(yīng)用最為廣泛的理論,包括功率器件功率循環(huán)測(cè)試的壽命模型[12]。

1.1.2 Eyring加速老化模型

1.1.1節(jié)所述Arrhenius模型是經(jīng)驗(yàn)公式,且在溫度范圍較寬或較復(fù)雜的反應(yīng)擬合效果不好。Eyring等人于1941年,以量子力學(xué)理論為基礎(chǔ),從物理理論層面對(duì)Arrhenius模型進(jìn)行了深入解釋及擴(kuò)充,應(yīng)用范圍不僅涵蓋溫度單場(chǎng),還適用于描述多個(gè)場(chǎng)的共同老化作用[13]。Eyring模型表達(dá)式如下式所示:

(3)

與式(1)相比,式(3)增加了溫度T的倒數(shù)項(xiàng),系數(shù)A為產(chǎn)品相關(guān)的特征系數(shù),與量子力學(xué)中透射系數(shù)、普朗克常數(shù)有關(guān),系數(shù)B為測(cè)試方法相關(guān)的特征系數(shù)。其對(duì)應(yīng)的加速老化因子如式(4)所示:

(4)

1.2 溫度、電場(chǎng)耦合加速老化模型

對(duì)于溫度場(chǎng)、電場(chǎng)共同作用下的加速老化模型,通常的做法是不考慮其間的耦合作用,整體的加速因子由溫度加速因子AFT、電場(chǎng)加速因子AFV直接相乘得到[11],但對(duì)于廣義的Eyring模型,溫度與電場(chǎng)之間的耦合關(guān)系得到考慮。

1.2.1 HTGB加速老化模型

HTGB加速老化測(cè)試下對(duì)應(yīng)的器件柵氧化層失效的物理模型為時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿或經(jīng)時(shí)擊穿(Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB)[14],TDDB模型中,F-N隧穿效應(yīng)基礎(chǔ)上的1/E模型與電偶極子交互作用基礎(chǔ)上的E模型以其良好的物理機(jī)理及擬合結(jié)果被廣泛應(yīng)用[9]。以MOSFET為例,1/E模型強(qiáng)調(diào)電子受高溫及電場(chǎng)作用,從半導(dǎo)體層隧穿到氧化層,碰撞形成電流;E模型則強(qiáng)調(diào)高溫及電場(chǎng)下,半導(dǎo)體層/氧化層界面處Si-O共價(jià)鍵的斷裂,如圖2所示[14]。根據(jù)JEP122標(biāo)準(zhǔn),E模型及1/E模型適用于4 nm厚度以上的SiO2層,對(duì)于薄柵或高K柵的加速老化模型適用性仍不明確[9]。

圖2 MOSFET柵氧化層經(jīng)時(shí)擊穿失效機(jī)理

(1)1/E模型

1/E模型由K. F. Schuegraf等人于1993年提出[15],其適用于描述高電場(chǎng)下失效時(shí)間tBD與電場(chǎng)E之間的關(guān)系。1/E模型機(jī)理如下:施加偏置電壓時(shí),陰極端的電子經(jīng)過F-N隧穿效應(yīng)進(jìn)入柵氧化層的導(dǎo)帶,受電場(chǎng)Eox加速并與SiO2晶格發(fā)生碰撞電離,產(chǎn)生陷阱。陷阱的存在導(dǎo)致局部缺陷處電場(chǎng)及隧穿電流增加,形成正反饋加速了碰撞電離及陷阱的產(chǎn)生,最終形成導(dǎo)電通道擊穿柵氧化層。1/E模型下器件失效時(shí)間如下式所示:

(5)

式中:τ0為材料相關(guān)的比例系數(shù);G(T)為與溫度相關(guān)的電場(chǎng)加速因子,為簡(jiǎn)化計(jì)算常取定值;Eox為施加在柵氧化層上的電場(chǎng)強(qiáng)度,MV/cm。對(duì)等式左右同時(shí)取對(duì)數(shù),可發(fā)現(xiàn)失效時(shí)間的對(duì)數(shù)與Eox呈反比,因此稱為1/E模型。由式(5)可計(jì)算得其加速因子:

(2)E模型

E模型由J. W. McPherson等人于1985年提出[16],相對(duì)于1/E模型,E模型克服了低電場(chǎng)下壽命估計(jì)的誤差,適用范圍更廣,被業(yè)界及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用并成為主流加速老化模型[17]。E模型機(jī)理如下:SiO2中Si的電子被O吸附形成帶正電的Si離子和負(fù)電的O離子即Si-O電偶極子。在高溫及電場(chǎng)(<10 MV/cm)環(huán)境下,Si-O電偶極子使得局部電場(chǎng)增大與Si/SiO2界面處分子共價(jià)鍵斷裂所需的活化能降低,導(dǎo)致Si/SiO2界面處熱鍵斷裂,且電場(chǎng)的增大指數(shù)級(jí)地增加了器件失效的速率。E模型下器件失效時(shí)間如式(7)所示:

(7)

式中:TF為器件失效時(shí)間;A0為材料相關(guān)的比例系數(shù);γ為與溫度相關(guān)的電場(chǎng)加速因子且有γ(T)=a/kT、a為分子的有效偶極矩,為簡(jiǎn)化計(jì)算常取定值。由式(7)可推導(dǎo)得其加速因子:

(8)

1.2.2 HTRB加速老化模型

HTRB加速老化測(cè)試在高溫下施加阻斷電壓并對(duì)終端、鈍化層進(jìn)行考核,終端可動(dòng)污染離子在電場(chǎng)及高溫作用下逐漸暴露并在高電場(chǎng)區(qū)積聚,形成表面電荷,導(dǎo)致電場(chǎng)畸變及泄漏電流的增大,最終形成短路通道[1]。對(duì)應(yīng)器件終端失效的物理模型為含電壓加速因子的擴(kuò)充Eyring模型與逆冪律模型,擴(kuò)充Eyring模型由Eyring等人于1941年提出,解決了不同應(yīng)力共同加速作用的問題,其失效時(shí)間如式(9)所示[13]:

(9)

式中:A為產(chǎn)品相關(guān)的特征系數(shù);B為測(cè)試方法相關(guān)的特征系數(shù);V為器件所加阻斷電壓;C為電壓加速因子;D為電壓與溫度間的耦合系數(shù)(反映HTRB下阻斷漏電流帶來的溫升效應(yīng)、溫度升高對(duì)器件漏電流增大的作用等),相應(yīng)加速因子如式(10)所示:

(10)

Deepak Veereddy等人于2017年進(jìn)行了氮化鎵器件的加速老化測(cè)試,在此基礎(chǔ)上對(duì)比了擴(kuò)充Eyring模型及逆冪律模型對(duì)壽命估計(jì)的差異性[18,19],逆冪律模型如式(11)所示:

(11)

(12)

式中:B0為材料相關(guān)的比例系數(shù);n為大于0的電場(chǎng)加速因子;Ea為活化能;k為玻爾茲曼常數(shù);T為開爾文單位下的熱力學(xué)溫度。

1.3 溫濕度、電場(chǎng)耦合加速老化模型

1.3.1 H3TRB加速老化模型

根據(jù)JESD22-A101 D及JEP122等JEDEC標(biāo)準(zhǔn),傳統(tǒng)H3TRB測(cè)試考核溫濕度引起的腐蝕,施加最大值80 V的偏壓以促進(jìn)水解作用,同時(shí)限制漏電流引起的溫升不超過2 ℃[7,9],濕度相關(guān)的4個(gè)失效模型于1972—1986間提出,如式(13)～(16)所示[20]。1986年,Peck對(duì)已公開發(fā)表的所有加速老化模型及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與新提出的模型在30%～100%RH,85～140 ℃測(cè)試條件下,按照器件測(cè)試壽命與計(jì)算壽命的擬合度進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)不管高于85 ℃/85%RH還是低于85 ℃/85%RH,于1986年提出的Peck模型都有更好的擬合度[20]。因此,濕度可靠性相關(guān)壽命研究,目前最廣泛受到應(yīng)用的是式(14)中的Peck模型。

(1)倒數(shù)模型

(13)

(2)冪律模型(Peck模型)

(14)

(3)指數(shù)模型

(15)

(4)平方模型(Lawson模型)

(16)

上述4類模型中,A0、B0、C0、D0均為材料相關(guān)的比例系數(shù);f(V)為電壓相關(guān)的函數(shù),通常取1/V。

1.3.2 HV-H3TRB加速老化模型

隨著器件耐壓等級(jí)的增加,尤其是高壓大功率器件的應(yīng)用需求越來越多以及器件封裝、鈍化層、終端(Junction Termination, JT)等工藝的不斷優(yōu)化,80 V耐壓己經(jīng)不能真實(shí)反映器件在高濕度環(huán)境的工作狀態(tài),如海上風(fēng)電用器件;此外,由于器件耐壓的優(yōu)良性能,即使高壓偏置下,漏電流引起的溫升也可以被限制在2 ℃以內(nèi)。2014年Zorn等人對(duì)高壓大功率器件IGBT進(jìn)行了高電壓下(65%Vmax、90%Vmax)的高溫高濕反偏[21]測(cè)試并對(duì)傳統(tǒng)Peck模型中的電壓加速因子進(jìn)行改進(jìn)[22-24],總結(jié)出考慮高電壓作用的IGBT器件加速老化模型如下:

(17)

1.4 小結(jié)

表1對(duì)上述HTGB,HTRB,H3TRB測(cè)試所用模型及其適用范圍進(jìn)行了總結(jié),列寫如下所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)定義的高溫可靠性測(cè)試模型

2 測(cè)試條件確定原則

由前述公式可知,加速老化測(cè)試的溫度越高越好、柵極偏壓或承受阻斷電壓越大越好,使得老化測(cè)試時(shí)間得以縮短,從而降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。但不能超過器件允許運(yùn)行的最高結(jié)溫、最大柵壓和阻斷電壓,否則可能會(huì)產(chǎn)生實(shí)際工況下不存在的老化機(jī)理,失去了加速老化測(cè)試的意義。樣本量與加速老化因子、測(cè)試時(shí)間相關(guān),因此需在時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本之間做折衷的選擇。在保證加速老化測(cè)試反映實(shí)際工況的前提下,均衡考慮測(cè)試時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本是高溫可靠性測(cè)試條件選取最基本的原則。

此外,值得注意的是:開始加速老化測(cè)試時(shí),應(yīng)先施加電場(chǎng)、再施加溫度場(chǎng),結(jié)束加速老化測(cè)試時(shí),應(yīng)先撤溫度場(chǎng)、再撤電場(chǎng)[25],并于老化期間及老化結(jié)束后96 h內(nèi)測(cè)量相關(guān)參數(shù)。這樣做是因?yàn)闇囟鹊淖饔迷谟诒┞犊蓜?dòng)離子、電場(chǎng)的作用在于束縛可動(dòng)離子,整個(gè)測(cè)試過程中需保證可動(dòng)離子受電場(chǎng)束縛不會(huì)逃逸,才能有效地反映器件的老化。

2.1 HTGB測(cè)試

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)定義的測(cè)試條件

表2對(duì)HTGB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-5,10,25-29]以MOSFET或IGBT為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了整理與總結(jié),結(jié)論如下:HTGB測(cè)試溫度優(yōu)選最大結(jié)溫100%Tjmax,偏置電壓優(yōu)選100%VGS(E)max,測(cè)試時(shí)間1 000 h,測(cè)量參數(shù)包括:柵極漏電流IGSS(GES)、閾值電壓VTH。IGSS(GES)需連續(xù)監(jiān)測(cè),VTH在老化前后測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。IGSS(GES)超過器件Datasheet或初始值5倍(含室溫下)或VTH超過上下限值即認(rèn)為失效[10]。

如引言所述,HTGB相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)隨著測(cè)試手段的不斷完善而增多。但繁多的標(biāo)準(zhǔn)并沒有指出具體的老化機(jī)理及不同工況對(duì)應(yīng)的測(cè)試條件,比如:電動(dòng)汽車工況和換流閥工況,同樣要求30年運(yùn)行壽命,加速老化測(cè)試時(shí)間不同,因?yàn)榧铀僖蜃硬煌?。因此建立加速老化模?為提供測(cè)試時(shí)間、測(cè)試樣本的選取依據(jù)是十分重要的。

2.1.2 算例分析

在JEP122標(biāo)準(zhǔn)[9]提供模型系數(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行算例分析有助于合理選取相應(yīng)測(cè)試條件。對(duì)于式(6)、式(8),器件柵氧化層電場(chǎng)Eox的數(shù)值難以得到,需將其轉(zhuǎn)化成常用的參數(shù)如VGS(GE),再進(jìn)行相應(yīng)公式計(jì)算。

器件柵氧化層電場(chǎng)Eox可由式(18)計(jì)算得到[30]:

(18)

式中:VGS(GE)為柵源極或柵射極電壓(MOSFET及IGBT器件);Vfb為平帶電壓;tox為柵氧化層厚度。

HTGB測(cè)試中器件所施加?xùn)艍簽?0 V,是器件平帶電壓的十余倍,為簡(jiǎn)化計(jì)算可忽略平帶電壓。器件老化過程中柵氧化層厚度是不變的,則由式(18)可得加速老化與正常工況下柵氧化層電場(chǎng)之比:

(19)

假定1 200 V SiC MOSFET器件在正常運(yùn)行工況如電動(dòng)汽車工況下,器件的結(jié)溫為TjU=100 ℃[31],柵極電壓VGE=15 V,tox=50 nm,EoxU=3 MV/cm;加速老化測(cè)試下,器件結(jié)溫選取TjA=125 ℃,柵極電壓VGE=20 V,EoxA=4 MV/cm;γ=3,Ea=0.75 eV,k=8.62×10-5eV/K,由于電場(chǎng)較低(<10 MV/cm),選用E模型[9],計(jì)算得加速老化因子等于87,正常工況下的壽命為30年對(duì)應(yīng)加速老化3 020 h。在保證老化機(jī)理及正常工況下壽命不變的前提下,可提高加速老化溫度至150 ℃,計(jì)算得加速老化因子等于316,對(duì)應(yīng)老化測(cè)試時(shí)間可縮短為832 h。

進(jìn)一步地,根據(jù)老化測(cè)試時(shí)間、加速老化因子等可計(jì)算測(cè)試的樣本量。樣本量的選取方法有二:一是為測(cè)試所有器件的共同特性(如分析失效機(jī)理等),則選取的樣本量無需很大;二是測(cè)試器件中的小部分缺陷產(chǎn)品(如篩選器件等),則以一定小比例從大量器件中選擇的樣品量仍然較大。第二類測(cè)試樣本量的計(jì)算方法如下式所示[27]。

(20)

式中:Chi2(B,c)為以B為置信度,以c為失效器件數(shù)的卡方分布;FITs為每109個(gè)器件小時(shí)的失效數(shù)量;A是加速老化因子;t為加速老化測(cè)試時(shí)間。以B=60%、c=0(Chi2(60%,0)=1.83),FITs=50為例,計(jì)算器件穩(wěn)定運(yùn)行30年對(duì)應(yīng)加速老化因子為87與316時(shí)所需樣本量都為SS=70,老化時(shí)間、置信因子及FITs不變的前提下,加速因子越大,測(cè)試樣本數(shù)越小。AEC-Q101及IEC標(biāo)準(zhǔn)按照批允許不良率(Lot Tolerance Percent Defective, LTPD)進(jìn)行設(shè)置,LTPD對(duì)應(yīng)置信度90%,取LTPD=3、合格判定數(shù)n=0時(shí)對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)SS=76。類似地,AQG-324標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的樣本量同樣可通過式(20)計(jì)算得到。

2.2 HTRB測(cè)試

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)定義的測(cè)試條件

表3對(duì)HTRB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-5,10,18,25-29,32]以MOSFET或IGBT為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了整理與總結(jié),結(jié)論如下:HTRB測(cè)試溫度優(yōu)選最大結(jié)溫100%Tjmax,偏置電壓優(yōu)選100%VDS(CE)max,測(cè)試時(shí)間1000 h,測(cè)量參數(shù)包括:柵極漏電流IDSS(CES)、擊穿電壓VBRDSS(BRCES)、閾值電壓VTH,IDSS(CES)需連續(xù)監(jiān)測(cè),VBRDSS(BRCES)、VTH在老化前后測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。IDSS(CES)超過限值或初始值5倍(含室溫下)或VBRDSS(BRCES)超過限值或VTH超過上下限值即認(rèn)為失效[10,11]。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)下HTRB測(cè)試條件

HTRB相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)繁多,但并沒有指出具體的老化機(jī)理及不同工況對(duì)應(yīng)測(cè)試條件的選取方法,因此建立加速老化模型對(duì)掌握其測(cè)試條件選擇原則十分重要,如前2.1.1及2.1.2節(jié)所述,此處不再贅述。

2.2.2 算例分析

基于標(biāo)準(zhǔn)JESD74A[33]及JEP148[34]所給的含電壓加速因子的擴(kuò)充Eyring模型。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供模型參數(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的算例分析有助于合理選取相應(yīng)測(cè)試條件。

由JESD74A及JEP148所給參數(shù):式(10)中B=0.65eV[33]或0.7eV[34],C=5.5[33]或1[34]。正常運(yùn)行工況下,器件結(jié)溫TjU=50 ℃,承受阻斷電壓VDS(CE)max[9];加速老化測(cè)試下,器件結(jié)溫TjU=125 ℃,承受阻斷電壓VDS(CE)max,計(jì)算JESD74A、JEP148參數(shù)下的加速老化因子分別等于81.4、114,器件正常運(yùn)行工況30年對(duì)應(yīng)的加速老化測(cè)試時(shí)間分別為3 228 h、2 305 h。

考慮到標(biāo)準(zhǔn)提出至今已有十余年,器件的設(shè)計(jì)、封裝等得到了飛速的發(fā)展,前述模型參數(shù)對(duì)于目前器件已不適用,選用逆冪律模型,根據(jù)近年的器件及運(yùn)行工況進(jìn)行算例分析。假定器件結(jié)溫TjU=100 ℃[31],承受阻斷電壓90%VCEmax;加速老化測(cè)試下,器件結(jié)溫TjA=125 ℃,承受阻斷電壓100%VCEmax,式(12)中系數(shù)n=22.84,Ea=0.9eV[19]。計(jì)算得加速老化因子等于64.4,器件正常運(yùn)行工況30年對(duì)應(yīng)的加速老化測(cè)試時(shí)間為4 080 h。

在保證老化機(jī)理及正常工況下壽命不變的前提下,提高加速老化溫度至150 ℃,計(jì)算得已有模型的加速老化因子等于303.4,對(duì)應(yīng)老化測(cè)試時(shí)間可縮短為866 h。進(jìn)一步地,根據(jù)式(19)統(tǒng)計(jì)器件失效數(shù)FITs調(diào)整老化測(cè)試的樣本量,以B=60%,c=0(Chi2(60%,0)=1.83),FITs=50為例,按式(19)計(jì)算器件正常工況運(yùn)行30年,加速老化因子為478對(duì)應(yīng)的測(cè)試樣本量N=70。

2.3 H3TRB老化測(cè)試條件

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)定義的測(cè)試條件

表4對(duì)H3TRB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7,24,26,35-41]以MOSFET或IGBT為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了整理與總結(jié),結(jié)論如下:H3TRB測(cè)試溫度優(yōu)選85 ℃,濕度優(yōu)選85%RH,偏置電壓優(yōu)選100V或60%～80%VDS(CE)max(針對(duì)HV-H3TRB測(cè)試),測(cè)試時(shí)間1 000 h,測(cè)量參數(shù)包括:柵極漏電流IDSS(CES)、導(dǎo)通電阻RDS(CE)on、柵極漏電流IGS(E)S、閾值電壓VTH。IDSS(CES)需連續(xù)監(jiān)測(cè),此外,IDSS(CES)、IGS(E)S、RDS(CE)on、VTH在老化前后室溫下測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。IDSS(CES)超過限值或初始值10倍(含室溫下)或IGS(E)S超過老化前10倍或限值或RDS(CE)on及VTH漂移超過老化前10%即認(rèn)為失效[41]。值得一提的是,表3中ECPE Guideline PSRRA 01標(biāo)準(zhǔn)適用于近年來提出的HV-H3TRB加速老化測(cè)試。

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)下H3TRB測(cè)試條件

2.3.2 算例分析

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供模型參數(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的算例分析有助于合理選取相應(yīng)測(cè)試條件。

如2.1.3所述,假設(shè)器件結(jié)溫TjU=100 ℃、相對(duì)濕度10%,承受阻斷電壓90%VDS(CE)max;加速老化測(cè)試下,環(huán)境溫度85 ℃、相對(duì)濕度85%RH、承受阻斷電壓VDS(CE)max。假設(shè)式(16)中系數(shù)Ea=0.79 eV,x為3,y=1.37[42]。計(jì)算得加速老化因子等于253,器件正常工況運(yùn)行30年對(duì)應(yīng)的加速老化測(cè)試時(shí)間為1 038 h。進(jìn)一步地,根據(jù)式(19)統(tǒng)計(jì)器件失效數(shù)FITs調(diào)整老化測(cè)試的樣本量,以B=60%,c=0(Chi2(60%,0)=1.83),FITs=50為例,按式(21)計(jì)算可得器件正常工況運(yùn)行30年下253的加速老化因子對(duì)應(yīng)的測(cè)試樣本量N=70。

3 未來發(fā)展趨勢(shì)

如前文所述,本文旨在以加速老化機(jī)理為基礎(chǔ),從根本上解決測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)繁多、測(cè)試條件確定原則及選取不明的問題,進(jìn)而為實(shí)際高溫可靠性測(cè)試提供理論依據(jù)和參考。

未來高溫可靠性測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)是:根據(jù)器件相應(yīng)的運(yùn)行工況確定其工作溫度TU、工作濕度RHU、工作電壓VU等,結(jié)合加速老化測(cè)試工況TA、RHA、VA、加速老化模型及其系數(shù)計(jì)算出加速老化因子,在不改變失效機(jī)理且滿足預(yù)期壽命相等的前提下,通過改變測(cè)試條件如溫度、濕度、偏置電壓等,進(jìn)而對(duì)測(cè)試時(shí)間以及測(cè)試的樣本量進(jìn)行調(diào)整,使得測(cè)試脫離于某一具體標(biāo)準(zhǔn),變得更加靈活可調(diào),同時(shí)針對(duì)不同運(yùn)行工況、器件特性對(duì)測(cè)試條件進(jìn)行調(diào)整,增加可靠性測(cè)試的精準(zhǔn)性、高效性、合理性。

圖3所示為器件一次高溫可靠性測(cè)試的流程圖,經(jīng)過一次測(cè)試后,該器件在該工況下的加速老化模型及其參數(shù)得以確定,通過不斷迭代對(duì)模型進(jìn)行修正并為后續(xù)測(cè)試時(shí)間t、測(cè)試樣本量N的選取提供依據(jù)。進(jìn)一步地,通過已有模型及參數(shù),在相同老化機(jī)理及預(yù)期壽命下,增大測(cè)試條件TA、RHA、VA的數(shù)值,以減少測(cè)試時(shí)間t、測(cè)試樣本量N。

圖3 測(cè)試樣本量、時(shí)間可調(diào)的高溫可靠性測(cè)試流程圖

圖3中,需首先確定測(cè)試類型及相應(yīng)老化模型,此后根據(jù)器件相應(yīng)運(yùn)行工況確定TU、RHU、VU、TA、RHA、VA等參數(shù)。進(jìn)一步地結(jié)合模型參數(shù),對(duì)于新器件,該參數(shù)可參考前述2.1.2、2.2.2、2.3.2節(jié)進(jìn)行合理選取并由此計(jì)算加速老化因子AF,估計(jì)正常工況下工作壽命并除以AF得到器件加速測(cè)試時(shí)間t,進(jìn)而結(jié)合置信度(通常選取60%[25]、90%[3])、FITs(若無測(cè)試數(shù)據(jù),初值設(shè)為50[25]),根據(jù)式(20)計(jì)算得到測(cè)試樣本量N進(jìn)行一次加速老化測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后,統(tǒng)計(jì)器件失效信息,更新FITs并擬合模型參數(shù),對(duì)原有參數(shù)進(jìn)行更新迭代,基于此重新計(jì)算測(cè)試?yán)匣瘯r(shí)間t及測(cè)試樣本量N。此外,在相同老化機(jī)理及預(yù)期壽命下,增大測(cè)試條件TA、RHA、VA的數(shù)值也可對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行改變,實(shí)現(xiàn)高溫可靠性測(cè)試的靈活可調(diào),進(jìn)而解決了測(cè)試條件確定原則及選取不明的問題。

4 結(jié) 論

本文從單個(gè)或耦合的溫度、電場(chǎng)、濕度加速老化模型出發(fā),結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)文獻(xiàn)所給系數(shù),分析了不同模型及系數(shù)對(duì)器件壽命預(yù)測(cè)的影響,結(jié)合電動(dòng)汽車工況算例,得到了以下結(jié)論:

(1)HTGB加速老化測(cè)試以E模型、1/E模型為基礎(chǔ),HTRB加速老化測(cè)試以擴(kuò)充Eyring模型、逆冪律模型為基礎(chǔ),H3TRB加速老化測(cè)試以Peck模型、HV-H3TRB模型為基礎(chǔ),不同模型對(duì)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果影響可至1～2個(gè)數(shù)量級(jí),系數(shù)選取受失效模式、柵極工藝、鈍化層及封裝材料等影響。高溫可靠性測(cè)試需按照先加、后撤電場(chǎng),后加、先撤溫度場(chǎng)的次序進(jìn)行。

(2)針對(duì)電動(dòng)汽車用1 200 V的IGBT模塊壽命進(jìn)行了計(jì)算,工況選取:TjU=100 ℃、RHU=10%、VGE=15 V、VCE=90%VCEmax;加速老化測(cè)試下:TjA=150 ℃或85 ℃(HV-H3TRB)、RHA=85%、VGE=20V、VCE=100%VCEmax。計(jì)算得到器件正常工作壽命30年對(duì)應(yīng)HTGB、HTRB、HV-H3TRB測(cè)試需進(jìn)行832 h、866 h、1 038 h,測(cè)試的樣本數(shù)均為70。

(3)預(yù)測(cè)未來高溫可靠性測(cè)試靈活可調(diào)的發(fā)展方向,即在具體應(yīng)用工況、具體器件特性下建立相應(yīng)加速老化模型,統(tǒng)計(jì)器件失效信息并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行迭代修正,使得測(cè)試環(huán)境、測(cè)試時(shí)間及測(cè)試樣本量都靈活可調(diào),進(jìn)而解決測(cè)試條件確定原則及選取不明的問題。