Prüfung der Zuverlässigkeit von SiC-Leistungsbauelementen

Herausforderungen und Lösungen

Der Grund, warum Siliziumkarbid (SiC) in Elektrofahrzeugen weit verbreitet ist, liegt darin, dass es die drei Eigenschaften "hohe Spannungsfestigkeit", "geringer Durchlasswiderstand" und "hohe Frequenz" besitzt, die für Fahrzeuge besser geeignet sind als Halbleiter auf Siliziumbasis. Zunächst einmal hat Siliziumkarbid (SiC) aus der Perspektive der Materialeigenschaften einen geringeren Widerstand und einen geringeren Leistungsverlust bei der Stromleitung, was nicht nur eine effizientere Nutzung der Energie der Elektrofahrzeugbatterie ermöglicht, sondern auch das Problem der durch den traditionellen hohen Widerstand erzeugten Wärme reduziert. Die Entwicklungskosten für das Kühlsystem werden reduziert.

Zweitens kann Siliziumkarbid (SiC) einer Hochspannung von bis zu 1200 V standhalten, was den Stromverlust beim Schalten des siliziumbasierten Halbleiterschalters verringert, das Problem der Wärmeableitung löst und auch die Nutzung von Elektrofahrzeugbatterien effizienter macht, und das Fahrzeugsteuerungsdesign ist einfacher. Drittens hat Siliziumkarbid (SiC) eine bessere Hochtemperaturbeständigkeit als herkömmliche siliziumbasierte (Si) Halbleiter und kann bis zu 250 °C aushalten, was für den Betrieb von Hochtemperatur-Automobilelektronik besser geeignet ist.

Die Siliziumkarbid (SiC)-Chipfläche schließlich zeichnet sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Spannung und geringen Widerstand aus. Er kann kleiner gestaltet werden. Der zusätzliche Platz macht das Fahren von Elektrofahrzeugen komfortabler, oder die Batterie kann vergrößert werden, um eine höhere Kilometerleistung zu erzielen.

Aus der Perspektive der technologischen Entwicklung und des Fortschritts von siliziumbasierten (Si) zu Siliziumkarbid (SiC) MOS besteht die größte Herausforderung darin, das Problem der Produktzuverlässigkeit zu lösen, und unter den vielen Zuverlässigkeitsproblemen ist die Schwellenspannung (Vth) des Bauteils besonders wichtig. Die Schwellenspannung ist das kritischste Problem und stand in den letzten Jahren im Mittelpunkt zahlreicher wissenschaftlicher Forschungsarbeiten. Sie ist auch der wichtigste Parameter zur Bewertung der technischen Zuverlässigkeit eines jeden SiC-MOSFET-Produkts.

Im Vergleich zu Si-Material ist die Schwellenspannungsstabilität von SiC-MOSFETs aus Siliziumkarbid relativ schlecht und hat auch große Auswirkungen auf die Anwendungsseite. Aufgrund des Unterschieds in der Kristallstruktur gibt es im Vergleich zu Silizium-Bauelementen eine große Anzahl von Grenzflächenzuständen an der SiO2-SiC-Grenzfläche, die eine Drift der Schwellenspannung unter der Einwirkung elektrothermischer Belastung verursachen, und die Drift ist bei hohen Temperaturen offensichtlicher, was die Zuverlässigkeit des Bauelements am Systemende ernsthaft beeinträchtigt.

Gemäß der JEDEC JEP183:2021 "Guidelines for Measuring Threshold Voltage (VT) of SiC MOSFETs", T_CITIIA 109-2022 "Technical Specifications for Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (SiC MOSFET) Modules for Electric Vehicles", T/CASA 006-2020 "Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor General Technical Specifications" und anderen Anforderungen, derzeit hat Wuhan PRECISE Instrument unabhängig eine Reihe von Source-Meter-Produkten entwickelt, wie z.B. die P-Serie von Puls-Source-Metern, die E-Serie von programmierbaren Hochspannungs-Netzteilen, die HCPL-Serie von Hochstrom-Puls-Netzteilen, die für die Prüfung der Schwellenspannung von Siliziumkarbid (SiC)-Leistungsbauelementen und anderen statischen Parametern geeignet sind und alle gängigen Zuverlässigkeitsprüfmethoden abdecken.