Si_IGBT和SiC_M...ET分立器件封装可靠性对比_张莹.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202303008March2023Semiconductor Technology Vol48 No3231Si IGBT 和 SiC MOSFET 分立器件封装可靠性对比张莹1，谢露红1，邓二平2，*，严雨行1，赵雨山1，黄永章1(1 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206;2 合肥工业大学 电气与自动化工程学院，合肥230009)摘要:为了明确 SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)与 Si 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)寿命差异的原因，在相同结温条件下对上述两种分立器件进行功率循环试验。试验结果表明，SiC MOSFET 的寿命大于 Si IGBT 的寿命。若将两组试验负载电流等效一致，则 SiCMOSFET 的寿命约为 Si IGBT 的 1/4。为了揭示寿命差异的根本原因，即失效机理的探究，建立了两种器件电热力多物理场有限元模型并在功率循环试验条件下进行仿真，结果表明造成寿命差异的原因是 Si、SiC 材料与铝材料之间的热膨胀系数差异不同，导致器件在功率循环中受到循环热应力时产生的塑性应变不同。研究结果为提高 SiC MOSFET 的寿命提供了理论参考。关键词:SiC;分立器件;功率循环;寿命;有限元模型;机理分析中图分类号:TN306文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)03023109Comparison on Package Reliability of Si IGBT and SiC MOSFETDiscrete DevicesZhang Ying1，Xie Luhong1，Deng Erping2，*，Yan Yuxing1，Zhao Yushan1，Huang Yongzhang1(1 State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(NCEPU)，Beijing 102206，China;2 School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract:Power cycling tests were performed on SiC metal-oxide-semiconductor field effect tran-sistor(MOSFET)and Si insulated gate bipolar transistor(IGBT)discrete devices under the sametemperature conditions to find out the reason for the lifetime difference between two types of discretedevices The result shows that lifetime of SiC MOSFET is longer than that of Si IGBT The lifetime of theSiC MOSFET is about 1/4 that of the Si IGBT if the two sets of experimental load currents are equivalentIn order to reveal the reasons for the lifetime difference，the failure mechanism was explored Twoelectric-thermal-mechanical multi-physics field finite element models were established and simulatedunder power cycling conditions The simulation results indicate that discrepancy in thermal expansioncoefficients between Si，SiC and aluminum lead to different plastic strains when they are subjected tocyclic thermal stress，which contributes to their lifetime difference The research results provide atheoretical reference for improving the lifetime of SiC MOSFETsKeywords:SiC;discrete device;power cycling;lifetime;finite element model;mechanismanalysisEEACC:0170N;2560基金项目:国家自然科学基金资助项目(52007061)张莹等:Si IGBT 和 SiC MOSFET 分立器件封装可靠性对比=232半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月0引言随着功率器件应用功率密度的不断提高，碳化硅(SiC)器件以其低损耗、高开关频率、耐高温等特性逐渐替代传统的硅(Si)基器件1。其中，SiC 金 属氧 化 物半 导 体 场 效 应 晶 体 管(MOSFET)被认为是未来最有前途的高温高压大功率开关器件，在绝大多数领域都能替代传统的 Si绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，受到人们的广泛关注2。然而，SiC 材料的应用也带来了新的可靠性问题，比如栅极可靠性及寿命的不确定性。由于SiC 中 C 原子的存在，使 SiC/SiO2界面产生大量缺陷，造成 SiC 器件在使用过程中存在阈值电压漂移的现象3，同时 SiC 材料的应用改变了器件封装内部的热应力分布，因此也会造成其寿命的不确定性4。目前已经有部分研究机构对比了 SiC 和 Si 器件的可靠性，F Hoffmann 等人5 采用相同电压/电流等级的 SiC MOSFET 与 Si IGBT 功率模块进行了多个结温波动的功率循环测试，结果表明相同结温波动下 Si IGBT 模块寿命更长，结温波动越大，SiC 器件的寿命较 Si 器件更短，但并未对差异的根本原因进行解释;B R Hu 等人4 通过仿真对比研究了 SiC MOSFET 和 Si IGBT 功率模块寿命差异，结果表明结温波动达到 90 K 时，在仅考虑焊料层失效的情况下，SiC MOSFET 模块的寿命仅有 SiIGBT 模块寿命的 60%，却并未进行 SiC 功率模块的功率循环试验，同时也未考虑键合线失效的情况;T Ziemann 等人6 选取了不同厂商的采用TO247 封装的 SiC MOSFET 器件，与 Si IGBT 器件进行了相同结温波动条件下的功率循环测试，发现虽然大部分 SiC MOSFET 器件的寿命都短于 SiIGBT 器件，但也有个别可以达到 Si IGBT 器件的寿命。然而，具体到某种实际工况，例如在逆变器中，相同的工作模式下，SiC MOSFET 功率模块的寿命又长于相同电压等级 Si IGBT 功率模块的寿命7，这主要是由于 SiC 器件的损耗更小，因此在实际工作过程中，其结温波动和最高结温较Si 器件的更低。上述文献均没有从材料、传热和物理的角度深入分析两种器件寿命差异的根本原因，研究芯片材料参数对寿命的影响机理是分析 Si IGBT 和 SiC MOSFET 寿命差异根本原因的关键。为了揭示 Si IGBT 和 SiC MOSFET 寿命差异的根本原因，本文选用目前已被广泛应用的分立器件(Si IGBT:IGW25N120T7，SiC MOSFET:SCT3105KL)在相同的结温波动和最高结温条件下开展功率循环试验，对比 Si IGBT 和 SiC MOSFET 间的寿命差异。然后基于试验条件分别建立了二者的电热力多物理场的有限元模型，分析了电热力耦合条件下的应力应变差异。最后基于试验和仿真结果，从热力学的角度阐明了材料参数对应力应变乃至寿命的影响机理，为提高 SiC MOSFET 的寿命提供了理论参考。1功率循环试验1.1Si IGBT试验原理Si IGBT 功率循环试验原理如图 18 所示。在功率循环过程中，被测器件(DUT)的栅射极间一直施加 15 V 正压 Vge使其处于开通状态，利用开关 S 控制负载电流 Iload是否流过 DUT。本文选用VCE(T)法9 进行 DUT 结温的测量，因此在循环开关SIl o a dIs e n s eD U T集电极栅极GCEV发射极Vg e=1 5 V(a)电路原理图I/AIl o a dIs e n s e加热过程降温过程to nto n+to f ft/sj/j m a xj m i n0to nto n+to f ft/s0 j(b)单次循环时序控制图图 1Si IGBT 功率循环试验原理图8 Fig.1Schematic diagram of power cycling test with Si IGBT8 张莹等:Si IGBT 和 SiC MOSFET 分立器件封装可靠性对比=March2023Semiconductor Technology Vol48 No3233过程中需要在 DUT 集射极间施加测量电流 Isense。在开通时间 ton内，开关 S 闭合，负载电流流过DUT，此时 DUT 被加热达到最高结温 jmax，然后开关 S 断开，在冷却时间 toff内，DUT 冷却至最低结温 jmin。因此在一个循环周期(ton+toff)内，DUT 经历了一个结温波动(j)。DUT 在经历循环的温度波动过程中，由于材料间热膨胀系数(CTE)不匹配使得器件产生循环热应力，从而造成器件的老化失效8。1.2SiCMOSFET试验原理相较于 Si IGBT 的功率循环，SiC MOSFET 的功率循环较为复杂，SiC MOSFET 的功率循环试验原理图如图 210 所示。对于 SiC MOSFET，本文采用 VSD(T)法11 进行结温的测量，即采用反并联二极管的 pn 结在小电流下的饱和压降与结温的关系来反映结温。因此功率循环时需要对器件的栅极进行控制，在开关 S1 闭合时(ton时间内)，器件栅极保持开通，负载电流正向(从漏极到源极)流过 SiC MOSFET，该器件被加热，当开关 S1 断开时，SiC MOSFET 的栅源电压 Vgs从 15 V 切换为10 V，器件关断，Isense流经反并联二极管。这里加10 V 是为了将 SiC MOSFET 栅极沟道完全关断，使 Isense全部流经 pn 结，否则一部分电流可能会从沟道流过造成结温测量不准确11。开关S 1Il o a dIs e n s eD U T栅极GDSV漏极源极栅极驱动S 2(a)电路原理图加热过程降温过程Vg s/V1 5 V0-1 0 Vto nto n+to f ft/s(b)栅极驱动时序图图 2SiC MOSFET 功率循环试验原理图10 Fig.2Schematic diagram of power cycling test with SiCMOSFET10 1.3试验条件本文选用 Infineon 公司的1 200 V/50 A Si IGBT和 RHOM 公司的 1 200 V/24 A SiC MOSFET 作为被测器件。为了保持控制变量的单一性，选用的器件均采用 TO247 封装，通过超声波扫描(SAM)可知两种器件均只有一根键合线。本文搭建的功率循环试验电路拓扑如图 312 所示，共有 3 条被测支路，每条支路有 2 个被测器件，以保证同一个试验中对 6 个器件同时进行测试，避免结果的随