半导体在汽车中的使用持续增加。如图1所示，尽管由于疫情造成的供应链限制，过去几年新车销量总体下降，但同期汽车内半导体销售收入却有所上升。汽车中半导体价值的增加来自于先进驾驶辅助系统中用于安全和自动驾驶功能的芯片，以及随着世界走向更加碳中和的环境而用于发动机驱动系统电气化的芯片。
汽车应用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和质量要求
图 1：尽管汽车需求下降，但汽车半导体的需求却有所增加。
在更广泛的汽车市场中，电动汽车预计未来五年将以超过 25% 的复合年增长率增长。在本文中，我们将介绍使用宽带隙 (WBG)的一些可靠性和鲁棒性要求碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 功率器件，由意法半导体 WBG 战略营销经理 Filippo Di Giovanni 在 electronicsa 2022 电源论坛上介绍。与传统硅 (Si) 功率器件相比，SiC 和 GaN 器件具有多种优势，例如更低的
开关和传导损耗、降低的冷却要求 (SiC) 以及更高的开关频率 (GaN)。意法半导体是早生产专门用于电动汽车应用领域的 SiC 功率器件的半导体公司之一。
图 2 显示了在开关频率为 10kHz 的 210kW 牵引逆变器应用中 SiC MOSFET 相对于 Si IBGT 的优势示例。
汽车应用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和质量要求
图 2：电动汽车牵引逆变器应用 1,200V SiC MOSFET 和 Si IGBT 的效率比较
在轻负载（汽车大部分时间都在这种情况下行驶）下，SiC MOSFET 的效率要高得多。电力转换效率的进一步提高是预计在不久的将来更多电动汽车使用的关键实现要求，因为这些与
电池技术的改进一起可以增加行驶里程，减少充电次数并提高可靠性以及降低成本。尽管 SiC MOSFET 具有所有优势，但在这些电动汽车应用中使用时仍面临着独特的挑战。SiC 沟道中较低的载流子迁移率通常需要更薄的栅极氧化物才能产生所需的电流驱动。这会在栅极氧化物上产生高电场。SiC 衬底体和栅极氧化物界面中存在的缺陷水平要高得多，可能会随着时间的推移产生参数变化或可靠性失败。此外，高功率密度会给组装和封装带来挑战。
意法半导体多年来一直致力于 SiC MOSFET 的研究，以提高器件的性能和可靠性。图 3 显示了器件和封装级别的一些与性能相关的改进。
汽车应用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和质量要求
图 3：意法半导体的 SiC MOSFET 技术和封装路线图摘要
该公司于 2021 年推出的第 3 代器件专为电动汽车市场设计，与第 2 代器件相比，特定通态电阻 (R DS(on ) ) 提高了 30%。目前正在开发的第四代预计将在该参数上进一步提高 15% 至 20%。在封装方面，该公司创建了名为 HiP247-4 的 200°C TO-247 封装。后来的 STPAK 封装针对牵引逆变器应用，采用多重烧结方法以实现更好的热性能。封装改进还包括使用银烧结来提高耐热性和坚固性。对于电源模块封装，意法半导体提供 ACEPACK 解决方案，其中包括单面或双面冷却选项。
意法半导体的 SiC 可靠性和稳健性改进依赖于四大支柱，如图 4 所示。
汽车应用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和质量要求
图 4：意法半导体用于提高 SiC 器件可靠性和稳健性的四大支柱
如果可能的话，需要筛选掉如图 4 左图所示的 SiC 缺陷。晶圆厂加工过程中的光学检查可以捕获其中一些缺陷，并可以根据这些缺陷创建缺陷晶圆图。然后，在测试过程中将这些缺陷与标准电气故障重叠，以墨水打印可能已通过电气但显示光学缺陷的芯片，这一过程称为缺陷离线墨水。基于 TCAD 的可靠性改进设计示例包括努力降低端接边缘处的电场，工艺改进可包括优化栅极氧化物工艺以减少缺陷并缩短电介质击穿时间。老化筛选，无论是在晶圆级还是封装级，和其他电气压力测试是重要的工具，用于淘汰具有外在缺陷的零件，并且对运送给客户的零件的可靠性更有信心。任务概况评估的目标是根据特定的客户应用环境定制可靠性测试，如图 5 所示。
汽车应用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和质量要求
图 5：任务概况可靠性评估，用于衡量客户特定应用的 FIT 率
针对每种客户特定条件制定了实时故障 (FIT) 率，并针对特定应用制定了加权平均总体 FIT 率。这比其他技术上进行的标准温度降额有用得多。例如，温度循环 (TC) 可以包括无源 TC，其中包括大的温度波动并检查芯片连接的稳健性，而有源 TC 的温度波动较小，但检查引线键合稳定性。
图 6a 显示了可靠性的工艺和设计改进示例。这表明与第 2 代器件相比，第 3 代器件中基于设计的氧化物上的电场有所减少。
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图 6a：意法半导体第 3 代器件的设计改进示例
汽车应用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和质量要求
图 6b：意法半导体 SiC 器件中归一化故障 ppm 趋势图
意法半导体目前已出货超过 2 亿个 SiC 器件，并将百万分率 (ppm) 故障率稳定降低至 1 ppm 以下。ppm 率随时间的标准化改进如图 6b 所示。
汽车应用的 GaN 可靠性和稳健性
GaN 高
电子迁移率
晶体管 (HEMT) 功率应用在满足汽车应用的严格要求方面面临着独特的挑战。一些差异化方面是：
漏极电压应力引起的动态 R DS(on)增加是 GaN HEMT 中的一种瞬态、可恢复现象，并且是电荷捕获的结果。已定义新的 JEDEC 标准 (JEP-173) 以提供测试指南。
开关应力引起的电荷捕获/热电子生成也可能导致不可逆的 R DS(on)增加，从而降低转换器效率。此外，这种效果会随着设备老化而改变。需要进行动态高温工作寿命 (DHTOL)/开关加速寿命测试来量化这一点。JEDEC 标准 JEP-180 定义了此测试方法。
GaN HEMT 器件不会像 Si 或 SiC MOSFET 那样发生雪崩，因为它们的碰撞电离系数要低得多。它们通常可以承受远高于其额定击穿电压的电压；然而，标准测试（例如在 Si/SiC 中使用的未夹紧感应应力测试）可能会导致 GaN HEMT 损坏。需要量化过压浪涌能力，以了解开关瞬态过冲期间可用的余量。
GaN HEMT 中的其他时间相关击穿机制因其结构而独特，并且可能表现为标准高温反向偏压或高温栅极偏压测试中漏电增加。这些需要进行量化和分析，以更好地了解设备操作的限制。晶圆级可靠性测试用于从威布尔图生成加速因子来估计寿命。
图 7 显示了 STMicroElectronics 的 650V GaN HEMT 的 DHTOL 测试波形示例。升压转换器用于测试具有高侧（软）或低侧（硬）开关的器件。切换条件可以基于客户任务概况。
汽车应用中 SiC 和 GaN 功率器件的可靠性和质量要求
图 7：650V GaN HEMT 的 DHTOL 测试示例
总之，SiC 目前正在推动汽车电气化，随着人们对其使用的信心不断增强以及更强大的可靠性测试，GaN 器件也将在此应用中发挥更大的作用。随着电动汽车寿命要求的延长，宽带隙功率器件的寿命也需要相应增加。
