T/CASAS 042-2024 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）高温栅偏试验方法

《T/CASAS 042-2024 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)高温栅偏试验方法》的主要内容详细总结。

1. ​​文档范围和应用​​

• ​​适用范围​​：本文件适用于SiC MOSFET功率器件（分立器件）和功率模块的可靠性评估，旨在通过高温栅偏试验模拟加速老化条件，暴露器件在高温和高电压应力下的潜在缺陷。
• ​​核心目的​​：试验用于评估栅极电介质的完整性（如经时介电层击穿）、半导体与电介质边界层的退化（表现为阈值电压和米勒电容变化），以及可动离子污染导致的性能退化。这有助于在短时间内预测器件在正常工况下的寿命和可靠性，特别适用于航天、航空、石油勘探、核能等高需求领域。
• ​​相关标准​​：文档引用GB/T 1.1-2020、GB/T 4586-1994、T/CASAS 002-2021和T/CASAS 006-2020等标准，确保试验方法的规范性和兼容性。

2. ​​关键术语和定义​​

文档第3章定义了SiC MOSFET试验中的核心术语，确保测试一致性：

• ​​电学参数​​：
  • 栅-源电压（ V_{GS} ）：栅极与源极之间的电压。
  • 漏-源电压（ V_{DS} ）：漏极与源极之间的电压。
  • 栅极漏电流（ I_{GSS} ）：栅极在最大电压下的漏泄电流，分为正偏压（ I_{GSS+} ）和负偏压（ I_{GSS-} ）。
  • 漏极漏电流（ I_{DSS} ）：漏极在规定高压下的漏泄电流。
  • 阈值电压（ V_{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_{DS(on)} ）：在指定栅压、电流和结温下的导通电阻。
  • 体二极管正向压降（ V_F / V_{SD} ）：漏源反向电压下的正向压降。
  • 击穿电压（ V_{BR} ）：漏极电流达到规定值时的漏-源电压。
• ​​温度参数​​：
  • 环境温度（ T_a ）、管壳温度（ T_c ）、散热器温度（ T_s ）、结温（ T_j ）和虚拟结温（ T_{vj} ）。其中， T_{vj} 是通过电学方法间接测量的结温，用于替代无法直接测量的 T_j 。
• ​​其他关键概念​​：如经时介电层击穿（TDDB）、界面陷阱等，强调SiC/SiO2界面的缺陷是主要失效根源。

3. ​​试验装置要求​​

文档第4章详细规定了试验装置的功能和性能指标，确保测试环境稳定可靠：

• ​​试验环境要求​​：
  • 温度范围：需覆盖25°C至300°C，温度波动度优于1°C，容许偏差优于±2°C，升温速率优于1°C/min。
  • 环境控制：使用恒温槽、热平台或温箱提供均匀高温环境，并配备实时温度监测系统（如传感器），确保芯片结温（ T_{vj} ）达到指定最大值（如器件规格书中的最高值），同时外壳温度在允许范围内（±10K）。
• ​​试验装置组成​​：
  • ​​功率偏置单元（电源）​​：需具备恒压/恒流输出模式，电压和电流范围覆盖器件额定值（例如，30V量程分辨率≤1mV，精度±(0.03%量程+10)mV）。电源输出纹波和噪声需低，并内置过压、过流、过温保护功能。
  • ​​温度控制系统​​：确保快速升降温能力，并具备安全保护机制。
  • ​​测量设备​​：包括高精度示波器、电流表、电压表和源测量单元，要求微弱信号测量能力强（例如，100nA量程分辨率优于10pA，精度±(0.1%量程+0.5)nA）。推荐采用标准化试验系统，以减少寄生参数影响（如使用四线制开尔文连接），并在测试前进行全面校准。
  • ​​整体要求​​：装置需支持数据实时采集和存储，防止长时间测试数据丢失，并针对SiC MOSFET特性优化（如处理阈值电压迟滞效应）。

4. ​​试验方法步骤​​

文档第5章（5.1目的和5.2测试）是核心，描述了试验流程和具体操作。试验分为正栅压偏置（ V_{GS} = V_{GS,\text{max}} ）和负栅压偏置（ V_{GS} = V_{GS,\text{min}} ）两种模式，试验时间至少1000小时，环境温度设置为器件最大虚拟结温（ T_{vj,\text{max}} ），漏源电压（ V_{DS} ）设为0V（即漏极短接至源极）。样品数量要求：分立器件建议154个（正/负偏置各77个），功率模块建议6个（正/负偏置各3个）。

​​测试流程详细步骤​​：

• ​​a) 样品准备​​：去除样品表面污染物，焊接或安装到测试夹具上（确保良好热连接和电气连接），采用四线制开尔文连接法减少接线电阻影响。样品需经目检和初始电参数测试（包括 I_{GSS+}、 I_{GSS-}、 I_{DSS}、 R_{DS(on)}、 V_{GS(th)}、 V_F、 V_{BR} ），确保无缺陷。
• ​​b) 最初测试​​：记录所有电学参数初始值，作为后续失效判定的基准。需注意阈值电压（ V_{GS(th)} ）测量时的迟滞效应，测试前需进行统一预处理。
• ​​c) 温度及偏置设置​​：设置温度控制系统至指定 T_{vj} ，并配置偏置电源输出（正压或负压）。升温前10分钟内施加偏置电压。
• ​​d) HTGB试验执行​​：参考图1电路，将偏置电源（ V_{GS\_bias1} 或 V_{GS\_bias2} ）连接到栅极和源极，漏极短接至源极。试验过程中， V_{DS} = 0V 。
  
• ​​e) 中间测试​​：试验期间实时监测并记录栅极漏电流（ I_{GSS} ），检测异常变化。
• ​​f) 冷却处理​​：试验结束后，在去除偏置前将器件冷却至55°C以下。冷却过程中，偏置中断不超过1分钟可忽略；否则需按文档规定处理（见表2）。
• ​​g) 最终测试​​：冷却后96小时内完成最终电参数测试（同最初测试项目）。若超时，需按表2附加应力时间（例如，超时168小时需额外48小时应力）。测试需注意迟滞效应的统一处理。
• ​​h) 数据记录​​：全程记录应力条件（温度、电压、时间）、监测数据（如 I_{GSS} ）和任何异常现象。

​​关键注意事项​​：

• 试验聚焦芯片级失效，需确保散热器温度（ T_s ）或外壳温度（ T_c ）达到 T_{vj} ，并在报告中注明。
• 样品安装时避免局部过热，测试系统需定期维护校准。
• 表2规定了超时处理规则：超出96小时未测试时，每168小时增加24小时附加应力时间。

5. ​​失效判定标准​​

文档第6章定义了试验后的失效判定依据，基于电学参数变化或外观损坏。任何样品满足以下任一条即判为失效；但非样品因素（如操作失误或装置故障）导致的失效不计入批次失效，需记录分析并经用户同意后重试。

• ​​电学参数失效判据（表3）​​：
  • R_{DS(on)} ：变化率≥20%，或超出规格书最大/最小值。
  • V_F ：变化率≥5%，或超出规格书最大/最小值。
  • V_{BR} ：变化率≥20%，或低于规格书最小值。
  • V_{GS(th)} ：变化率≥20%，或超出规格书最大/最小值。
  • I_{DSS} ：变化率≥1000%，或高于规格书最大值。
  • I_{GSS} （正偏或负偏）：变化率≥1000%，或高于规格书最大值。
• ​​外观失效​​：样品出现任何物理损坏（如裂纹或烧毁）。
• ​​补充失效判定​​：可根据用户需求增加其他判定标准，但需在报告中说明。

6. ​​测试报告要求​​

文档第7章规定了测试报告的必要内容，确保数据可追溯和可复现：

• ​​报告要素​​：包括样品名称和数量、试验条件（偏置电压、温度、时间）、连续监测数据（如 I_{GSS} ）、试验前后的电参数对比（ I_{DSS}、 I_{GSS+}、 I_{GSS-}、 R_{DS(on)}、 V_{GS(th)}、 V_F、 V_{BR} ），以及任何补充项目（如冷却记录或异常现象）。
• ​​记录表示例​​：附录A提供了标准化的试验记录表模板（见表A.1），涵盖产品信息、测试仪器、环境条件、技术要求和参数记录，便于统一数据管理。
• ​​整体要求​​：报告需详细记录校准信息（仪器型号、编号和有效期），并引用规范性标准。

7. ​​附录和参考文献​​

• ​​附录A（资料性）​​：提供SiC MOSFET高温栅偏试验记录表的示例（表A.1），包括样品编号、试验前后参数对比和失效勾选项，用于实际测试中的结构化记录。
• ​​参考文献​​：文档引用了IEC、AEC-Q101、AQG 324、JESD等国际和行业标准（如IEC 60747-8:2021、JEP 183A），强调本试验方法与全球可靠性测试规范的兼容性。

整体总结

本文件系统性地定义了SiC MOSFET高温栅偏试验的全流程，从装置准备到失效判定，突出了其在模拟极端工况下的加速老化作用。核心创新点包括针对SiC材料特性（如界面陷阱）的测试优化、严格的温度/电压控制要求，以及详细的失效机制覆盖（如TDDB和离子污染）。试验方法强调可重复性和安全性，适用于器件研发、质量验证和生产监控，能有效提升SiC MOSFET在高温高湿应用中的可靠性。用户实施时需严格遵守文档中的参数阈值和报告规范，以确保测试结果的有效性和可比性。