Карбидокремниевые полупроводниковые приборы уже прочно завоевали место под солнцем силовой электроники. На рынке предлагается немалое количество SiC MOSFET и диодов Шоттки не только общего применения, но и для нужд промышленной, а также автомобильной электроники. Эти полупроводниковые приборы отвечают требованиям стандарта AEC-Q101.

Ряд компаний тестирует SiC MOSFET и диоды Шоттки с учетом жестких условий эксплуатации, которые превосходят требования стандарта AEC-Q10. Цель такого тестирования – выявить устойчивость к лавинообразным процессам и способность устойчиво работать в критически важных приложениях.

Привлекательные стороны SiC-приборов хорошо известны, и мы не будем повторяться, перечисляя их, но заметим, что помимо отличных электрических характеристик они обладают очень неплохими тепловыми свойствами и работают при высоких температурах до 175°С.

Однако следует также обратить внимание на то, что массовое производство и использование полупроводниковых SiC-приборов, а также их коммерческая эксплуатация начались относительно недавно, поэтому нет статистически достоверных экспериментальных данных об их надежности. Кроме того, необходимо учитывать некоторые особенности SiC-приборов: поскольку, например, плотность ловушек вблизи затвора у них существенно выше, чем у традиционных кремниевых устройств, во время электротермотренировки (теста на выгорание) может возникнуть нестабильность из-за поглощения заряда ловушками.

Рассмотрим испытания на жесткие условия эксплуатации, проведенные компанией Microsemi, которая ныне является дочерней компанией Microchip. Испытывались 700-, 1200-, 1700-В SiC MOSFET и диоды Шоттки собственного производства. Тесты проводились в схеме с индуктивной нагрузкой, снабберные цепочки не использовались.

При таких условиях жесткой коммутации в переходном процессе возникают значительные перегрузки по току и напряжению. Причем, достаточно большой ток протекает через полупроводниковый прибор в обратном направлении при восстановлении обратного сопротивления. В этом случае создаются условия для лавинного пробоя, и происходит значительное выделение тепла. При этом температура некоторых участков полупроводниковой структуры может повыситься до 500°С. Испытания показали, что устойчивость приборов к таким нагрузкам хорошо коррелирует с их долговременной надежностью. Описанный тест проводят либо при однократном цикле коммутации (ОЦК), либо при повторяющихся циклах (ПЦК).

Устойчивость в подобных тестах существенно зависит от качества эпитаксии и производственного процесса. Даже незначительные дефекты кристалла представляют собой слабые места, которые выявляются с помощью описанных выше тестов ОЦК и ПЦК и могут привести к выходу из строя полупроводникового прибора.

Тест ОЦК проводится для всех компонентов, но при фактической эксплуатации условия, подобные тесту ОЦК, могут повторяться неоднократно. Следовательно, чтобы определить надежность компонентов в жестких условиях эксплуатации требуется периодически проводить тесты ПЦК с примерно 100 тыс. коммутациями. Установка для упомянутых тестов показана на рисунке 1. На этом же рисунке показан переходный процесс коммутации диода при однократном импульсе.

При проведении тестов ПЦК необходимо, чтобы перед подачей повторного импульса температура компонента мало отличалась от температуры окружающей среды. Именно из этих соображений в тестовой установке используется принудительное охлаждение, а с помощью термопары контролируется температура поверхности диода.

При проектировании высоковольтных полупроводниковых приборов необходимо придержаться нескольких правил. Вывод прибора, к которому прикладывается высокое напряжение, должен обеспечивать распространение лавинного пробоя по всей активной области структуры, чтобы энергия рассеивалась в наибольшей мере. Пробой не должен возникать только на каких-то локальных участках, поскольку это может привести к их перегреву и отказу всего компонента.

Для защиты оксидного слоя затвора следует обеспечить экранирование электрического поля. Для этого требуется оптимизировать такое легирование акцепторными примесями, которое не увеличит сопротивление канала в открытом состоянии. Высокая теплопроводность должна обеспечивать рассеивание тепла через верхнюю часть кристалла.

При соблюдении описанных правил и карбидокремниевые SiC MOSFET, и карбидокремниевые диоды Шоттки демонстрируют хорошую выживаемость в тестах ОЦК и ПЦК. После проведения этих испытаний прямое напряжение и ток утечки практически не изменяются, а напряжение обратного пробоя незначительно возрастает. Зависимость удельной энергии испытательных импульсов непосредственно перед отказом 10-А диодов Шоттки с разными нормируемыми напряжениями показана на рисунке 2.

Как видно из рисунка, удельная энергия импульсов, вызвавших отказ, увеличивается с возрастанием нормированного напряжения диода. Значительная часть энергии выделяется в области эпитаксии, толщина которой тем больше, чем больше нормируемое напряжение. Следовательно, чем выше нормируемое напряжение диода, тем меньше тепловыделение на единицу объема и тем меньше нагрев.

Заметим, что разница между значениями энергии разрушающих импульсов в тестах ОЦК и ПЦК (см. рис. 2) невелика. Это значит, что кумулятивный эффект отсутствует и эти перегрузки мало скажутся на надежности в течение срока службы.

Способность MOSFET работать в жестких условиях эксплуатации во многом определяется устойчивостью подзатворного окисла к деградации. Для его испытаний лучше использовать тест ПЦК со 100 тыс. импульсов относительно малой энергии – 100 мДж вместо 2 Дж в тесте ОЦК. Для испытаний был выбран SiC MOSFET Microsemi с нормированным напряжением 1200 В и сопротивлением открытого канала 40 мОм. Этот ключ был разработан с соблюдением упомянутых выше правил.

Отказ определялся по возрастанию тока утечки затвора свыше 50 мкА. Помимо MOSFET Microsemi в тесте участвовали MOSFET других производителей. На рисунке 3 приведены результаты испытаний.

Таким образом, можно сделать вывод, что для успешного продвижения полупроводниковых SiC-приборов в автомобильной и промышленной электронике помимо проверки на соответствия требованиям стандарта AEC-Q10 крайне желательно и даже необходимо подвергать эти компоненты тестам ОЦК и ПЦК.

Шифр статьи: МСА803

Читать в оригинале на английском

Статьи, реклама, подписка на журнал «Электронные Компоненты»: anton.denisov@ecomp.ru