T/CASAS 044-2024 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)高压高温高湿反偏试验方法

1. 文档概述

本文件《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)高压高温高湿反偏试验方法》（T/CASAS 044-2024）由第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）发布，旨在为SiC MOSFET器件提供一套标准化、可重复的高压高温高湿反偏（HVH³ TRB）试验方法。该标准适用于评估SiC MOSFET功率器件和功率模块在极端环境下的可靠性，重点关注器件在高温、高湿和高电压应力下的性能退化机制。文档基于SiC/SiO₂界面缺陷、氧化物陷阱等关键问题制定，确保测试能有效暴露时间相关失效，如阈值电压漂移和米勒电容变化。文件结构包括前言、引言、范围、规范性引用文件、术语定义、试验装置要求、试验方法、失效判定、测试报告及附录A（试验记录表）和参考文献。

2. 范围

本文件详细描述了SiC MOSFET器件的高压高温高湿反偏试验方法，涵盖试验装置、测试流程、失效判据和报告要求。适用于：

• ​​器件类型​​：SiC MOSFET分立功率器件和功率模块。
• ​​测试目的​​：评估器件在高温（最高200℃）、高湿（相对湿度最高95%）和高电压（漏源电压达80%最大额定值）环境下的可靠性，重点关注钝化层完整性、污染物迁移和热机械应力影响。
• ​​不适用范围​​：气密封装器件或其他非SiC基功率半导体器件。

3. 关键术语定义

文档定义了以下核心术语（基于T/CASAS 002-2021和T/CASAS 006-2020）：

• ​​栅-源电压（V_{\text{GS}}）​​：器件栅极和源极间电压。
• ​​漏-源电压（V_{\text{DS}}）​​：器件漏极和源极间电压。
• ​​栅极漏电流（I_{\text{GSS}}）​​：漏源短路时，栅源电压最大下的栅极电流最大值。
• ​​漏极漏电流（I_{\text{DSS}}）​​：漏源电压高值、栅源电压规定条件下的漏极电流最大值。
• ​​栅-源阈值电压（V_{\text{GS(th)}}）​​：漏极电流达到规定低值时的栅源电压。
• ​​漏-源导通电阻（R_{\text{DS(on)}}）​​：特定栅源电压、漏极电流和结温下的漏源电阻。
• ​​漏-源反向电压（V_{\text{F}}）​​：规定条件下的漏源反向电压。
• ​​击穿电压（V_{\text{BR}}）​​：栅源电压规定、漏极电流低值时的漏源电压。
• ​​温度相关术语​​：环境温度（T_{\text{a}}）、管壳温度（T_{\text{c}}）、散热器温度（T_{\text{s}}）、结温（T_{\text{j}}）和虚拟结温（T_{\text{vj}}）。
  这些术语为测试参数的测量和判定提供统一基础。

4. 试验装置要求

试验装置需提供精确可控的高温高湿环境和高压偏置，确保测试可重复性和安全性：

• ​​试验环境​​：
  • 温度范围：25℃至200℃，容许偏差±2℃，波动度优于1℃，升温速率≥1℃/min。
  • 湿度范围：相对湿度至95%以上，容许偏差+2%至-3%。
  • 稳定性：环境参数稳定时间≤3小时，确保器件温度高于露点，避免冷凝。
• ​​试验装置组成​​：
  • ​​功率偏置单元​​：
    • 输出模式：恒压/恒流，电压范围覆盖器件额定值（例如2000V量程分辨率≤100mV，精度±(0.05%量程+1)V）。
    • 保护功能：过压、过流、过温保护；输出纹波和噪声需控制到低水平。
  • ​​恒温恒湿系统​​：
    • 控制能力：快速升降温和湿度，实时监测记录数据；湿度传感器精度高。
    • 安全要求：配备自动保护机制，防止测试意外。
  • ​​测量系统​​：
    • 设备：高精度示波器、电流表、电压表、温湿度传感器和精密源测量单元（例如I_{\text{DSS}}测量在100nA量程下，分辨率≤10pA，精度±(0.1%量程+0.5)nA）。
    • 数据记录：实时采集并存储关键参数（如I_{\text{DSS}}、I_{\text{GSS}}、R_{\text{DS(on)}}），支持抗干扰设计。
  • ​​校准和维护​​：装置使用前需全面校准，定期检查以确保精度；推荐使用标准化试验系统优化SiC MOSFET特性（如阈值电压迟滞效应预处理）。

5. 试验方法

试验流程设计为分步执行，确保应力暴露和参数监控。测试时间≥1000小时，具体步骤包括：

• ​​样品准备​​：
  • 样品数量：单批次测试，分立器件建议154个（零栅压和负栅压各77个），功率模块建议6个（各3个）。
  • 预处理：去除表面污染物，焊接或安装到测试夹具（采用四线制开尔文连接法减少寄生参数），确保散热良好；初始电参数测试（I_{\text{DSS}}、I_{\text{GSS+}}、I_{\text{GSS-}}、R_{\text{DS(on)}}、V_{\text{GS(th)}}、V_{\text{F}}、V_{\text{BR}}），仅功能正常样品进入测试。
• ​​环境与偏置设置​​：
  • 参考表1设置标准条件：结温T_{\text{j}}=85℃、相对湿度85%、V_{\text{DS}} = 0.8 V_{\text{DS.max}}、V_{\text{GS}} = 0\,\text{V}或V_{\text{GS.min}}（若0V不能完全关断）。
  • 操作顺序：先稳定温湿度（稳定时间≤3h），再施加电压偏置，避免高湿下高压导致额外失效。
• ​​HVH³ TRB试验执行​​：
  • 偏置连接：参考图1，将偏置电源V_{\text{DS_bias}}正极接漏极、负极接源极，栅极短接源极或施加负压V_{\text{GS_bias}}。测试中实时监测I_{\text{DSS}}。
    
• ​​中间监控​​：定期记录I_{\text{DSS}}变化（例如每24小时），检测早期退化。
• ​​冷却与湿度控制​​：
  • 顺序：先移除偏置（中断≤1min不视为移除），再缓慢降低温湿度（降温速率控制，避免冷凝；冷却时间≤3h）。
  • 风险管控：防止高温高湿环境进入低温高湿时产生冷凝水，加速水解或电化学迁移失效。
• ​​最终测试​​：
  • 完成后48小时内完成电参数测试（同初始测试项目），否则追加24小时试验。
  • 数据记录：包括试验前后所有参数对比。

6. 失效判定标准

器件在测试中或完成后，符合以下任一条件即判为失效（非试验操作失误导致）：

• ​​电参数变化​​（基于表2）：
  

  参数	符号	失效判据（相对于初始值变化率）
  漏-源导通电阻	R_{\text{DS(on)}}	≥20%，或超数据手册限值
  体二极管正向压降	V_{\text{F}}	≥5%，或超数据手册限值
  击穿电压	V_{\text{BR}}	≥20%，或低于数据手册最小值
  阈值电压	V_{\text{GS(th)}}	≥20%，或超数据手册限值
  漏极漏电流	I_{\text{DSS}}	≥1000%，或超数据手册最大值
  栅极漏电流（正偏）	I_{\text{GSS+}}	≥1000%，或超数据手册最大值
  栅极漏电流（负偏）	I_{\text{GSS-}}	≥1000%，或超数据手册最大值

• ​​物理损坏​​：外观检查发现裂纹、变形或其他机械损伤。
• ​​其他失效​​：根据需求可增加额外判据（如封装分层）。失效样品需记录分析，不影响批次判定需用户确认。

7. 测试报告要求

测试结束后，报告必须包含以下内容，确保数据完整性和可追溯性：

• ​​基本信息​​：样品名称、型号、数量、测试日期和操作人员。
• ​​试验条件​​：偏置电压（V_{\text{DS}}、V_{\text{GS}}）、试验温度、湿度、时间。
• ​​监控数据​​：连续记录的I_{\text{DSS}}变化曲线。
• ​​电参数对比​​：试验前后I_{\text{DSS}}、I_{\text{GSS+}}、I_{\text{GSS-}}、R_{\text{DS(on)}}、V_{\text{GS(th)}}、V_{\text{F}}、V_{\text{BR}}的具体值。
• ​​其他项目​​：失效样品详情、装置校准记录、异常事件说明。
• ​​记录表示例​​：使用附录A的标准表格（表A.1）结构化记录数据，包括环境参数、仪器信息和样品编号。

8. 附录和参考文献

• ​​附录A​​：提供SiC MOSFET高压高温高湿反偏试验记录表（表A.1），用于标准化数据录入，包括样品信息、试验条件、参数测试结果和失效标记。
• ​​参考文献​​：引用相关标准如AEC-Q101、IEC 60749-5、JESD 22-A101D.01等，确保方法兼容国际规范（例如湿气迁移和电化学应力机制参考2024 ISPSD会议论文）。

本总结基于文档完整内容，覆盖所有关键部分，确保详细性和结构性。测试方法强调安全、精确和可重复，适用于SiC MOSFET在新能源汽车、航天等高压高温应用中的可靠性验证。