利用Simcenter解决方案全面表征SiCMOSFET器件

Simcenter为瞬态热测试和功率循环测试提供全面支持

随着功率水平的不断提升、功率密度的持续增加以及设备尺寸的逐渐缩小，电力电子设备的热测试显得愈发重要。为了应对这些挑战，西门子数字工业软件融合了半导体器件物理与测试设备构造的深厚知识，从而开发出一套符合最新测试标准的新方法。过去，硅器件如二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）以及绝缘栅双极晶体管（IGBT）在电力电子器件中占据主导地位。为了深入了解这些器件的测试原理，我们需要深入研究其与温度相关的特性。

接下来，我们将探讨典型的高压垂直结构MOSFET器件。其横截面如图a所示，而近似等效电路则如图2a所示。当栅源电压（VGS）达到特定阈值电压Vth时，N+源极和N–外延层之间会形成导电沟道。随着VOV，即VOV=VGS?Vth“过驱动”电压的增加，导电沟道的增长近似呈现二次方的关系。接下来，我们将进一步探讨另一种关键的电力电子器件——IGBT。其简化横截面如图b所示。与MOSFET相似，IGBT也展现出了与温度密切相关的特性，因此在热测试中同样占据重要地位。在MOSFET中，沟道的Rch电阻可以通过适当的技术条件进行调控。然而，对于高压晶体管而言，外延层必须足够厚且掺杂稀疏，以承受截止状态下产生的高阻断电压。这样，晶体管能够容纳一个长的耗尽区域，确保电场（即电压与长度的比率）不会超过材料的介电强度。

当MOSFET处于导通状态时，N–层会为器件的总RDSON电阻增加一个额外的Repi电阻，导致在工作电流下产生较高的VD,on=VDS(ID)压降，尤其是在高VOV过驱动条件下。

为了提高开关应用的效率并防止因高损耗导致的器件过热，IGBT器件中集成了Cascode共源共栅双极晶体管，在导通状态时注入大量可移动载流子。这种结构使得外延电阻采用bipolar正-负-正-负（PNPN）结构短路，VON电压主要由上部正-负-正（PNP）晶体管的Vsat饱和电压决定，而非半导体内部串联电阻。在硅材料中，这种二极管的Vsat通常落在8V至0V的典型正向电压范围内。

然而，这种解决方案存在运行缓慢的缺点。在MOSFET中，沟道中的电子可以在皮秒内回到源极，而IGBT则需要两种电荷载流子类型在bipolar基极中经过长时间复合后才能关闭。

幸运的是，随着碳化硅（SiC）器件的出现，这些问题得到了有效解决，并实现了卓越的性能。这些材料中，剥离半导体晶体晶格中的电子并使其可移动所需的能量要高出许多，超过三个电子伏特，比硅（Si）高出三倍以上。这种高电离能——即“带隙”——带来了诸多有利特性。例如，在介电强度方面，SiC中的0μm距离在2kV电压下即可击穿，而Si器件则在V电压下就已击穿。此外，由于相同温度下半导体中电离原子的数量大幅减少，SiC器件能够在°C的高温下运行，远超Si的°C极限。当然，实际的工作温度还会受到封装材料的限制。借助SiC器件，MOSFET的高速、低损耗和高效率得以在更高工作电压和温度环境下展现。因此，它们已被广泛应用于三相逆变器、AC-DC或DC-DC转换器以及数字电源等众多领域。尽管SiC与Si器件在某些方面具有相似性，但新材料的应用也给测试带来了新的挑战，特别是热特性和功率循环可靠性的测试。近年来，瞬态热测试已成为封装半导体器件热特性分析的标准方法。SimcenterT3Ster及其最新型的SimcenterT3SterSI硬件产品家族，在市场上占据领先地位，提供包括结到外壳、结到电路板、结到环境等标准热指标，助力检测结构缺陷并优化散热路径中的材料选择。该技术的独特之处在于其能生成和自动校准热仿真模型。

在瞬态热测试中，系统中最热点的温度变化——即半导体芯片的温度——在两个稳态之间被详细记录。迄今为止，提出的所有器件特性参数，如MOSFET中的Vth、RDSON以及IGBT中的Vsat等，都与温度紧密相关。因此，这些参数可用作热测试中的温度敏感参数（TSP），在校准后确定参数值与恒温环境温度之间的明确函数关系。在瞬态热测试中，我们通过施加电负载将被测SiMOSFET器件加热至热稳定状态。随后，突然切断加热电流，并捕捉芯片的电参数变化。接下来，我们将这些电信号转换回温度，运用数学算法处理热瞬态数据，从而确定时间常数并生成等效的分布式热阻热容（RC）模型。

传统的瞬态热测试常针对硅MOSFET器件的源极和漏极之间的反向体二极管进行，如图中的红色二极管所示。在这些器件中，当VGS=0V时，通道中仅流过微小的亚阈值电流。在Idrive驱动电流的作用下，由于VF正向电压始终保持在V以下，因此功率受到限制。在Isense测试电流较小的情况下，我们可以以大约–2mV/K的灵敏度记录瞬态响应。

对于具备适当控制栅极引脚的三极器件，我们可以实施更复杂的加热和测试方案。图3展示了SEMIKRONSKMB0MOSFET模块的输出特性。该图描绘了在数个固定的VGS栅源电压下，ID漏极电流随VDS漏源电压增长的变化情况。

值得注意的是，在VGS为0V时，A漏极电流下的VD,on电压在25℃时为26V，而在50℃时上升至48V。我们可以根据这两种温度下的VDS/ID计算RDSON通沟道电阻，并观察到其具有正温度系数。

然而，除了芯片温度变化导致的图表中的可逆偏移之外，劣化机制也会改变器件的特性。此外，该图还揭示了使用RDSON作为TSP的局限性，因为在高达Isense=A的测试电流下，温度升高25°C时，TSP的变化仅为9mV。

另一种测试方法是，将栅极连接到漏极并施加一个小的正向测试电流Isense，使得VGS=VDS电压略高于器件的Vth阈值电压。在这种情况下，温度导致的Vth变化数值略大于–4mV/K。图3显示，当Vth高于4V时，在相同的Idrive电流下，可以实现比体二极管上更高的耗散。但需注意，由于负温度系数的影响，器件芯片上可能会形成热斑，从而在高功率水平下导致损坏。SimcenterT3SterSI和SimcenterMicredPowerTester提供了全面的解决方案，适用于测量二极管、MOSFET以及IGBT等器件，覆盖了各种应用场景和测试需求。此外，Simcenter还是SiemensXcelerator软件、硬件和服务业务平台的重要组成部分。

主动功率循环测试（APC）是一种关键的可靠性测试方法。在测试过程中，通过反复开启和关闭器件中的大电流，我们可以揭示半导体器件的劣化机理。通过持续进行功率循环测试直至器件达到失效状态，我们可以构建出器件的寿命曲线。图4展示了SimcenterPowerTesterA设备，该设备内置了最新的SimcenterT3SterSI瞬态热测试设备。这一独特解决方案融合了主动功率循环测试与瞬态热测试，为用户提供全面的测试体验。在自动化测试系统中，功率循环测试会在用户设定的循环次数后暂停，随后立即进行瞬态热测试。通过瞬态热测试获得的结构函数曲线，我们可以深入洞察器件内部结构的变化，从热芯片开始沿着散热路径进行逐层分析。此外，SimcenterT3SterSI设备具备出色的电压分辨率，高达8bit，约为4μV，确保在瞬态热测试和功率循环测试中都能获得良好的信噪比。在功率循环测试过程中，施加的加热功率必须足够高，以达到或超过创建寿命曲线所需的数据捕获温度摆动值。同时，负载条件应尽可能接近器件的正常运行状态，以确保准确的寿命估算。

此外，该功率测试设备还为MOSFET和SiCMOSFET器件提供了专门的组合测试设置。通过加热导电沟道并利用体二极管进行温度测量，这种方法不仅符合ECPEAQG-测试指导的推荐，还广泛应用于功率模块的测试中，为功率循环测试提供了详尽的指导。图5展示了组合测试的设置方案，其中包括加热沟道和体二极管测量温度的步骤。在测试过程中，首先对晶体管施加标称VGS以打开其导电通道，并在漏极上施加Idrive。待系统达到稳定状态后，将VGS降为0V或负压，并通过负Isense记录体二极管上的VF正向电压。这种设置使得器件沟道上的导通损耗发热与实际应用情况相符，同时确保了温度测量的高灵敏度。

为了确保获得可靠的测试结果，功率循环测试应在被测器件出现灾难性故障之前持续进行。用户需定义适当的被测器件失效指标，并在达到这些指标时停止测试。在SimcenterPowerTester中，所有关键监测参数的停止指标均可设置为绝对值或百分比变化，包括最大（和最小）通态电压（VDS,on）、热阻（Rth）、最大结温变化（ΔTj,max）以及最大通道电阻（RDSON）。

此外，ECPEAQG-测试指导明确了两个关键的失效指标：VDS,on的增加和结到外壳/结到散热器热阻的上升。这些指标对于评估SiCMOSFET器件的可靠性和耐久性至关重要。

接下来，我们将深入探讨Si和SiCMOSFET器件在瞬态热测试和功率循环测试中的差异与挑战，并讨论相应的解决方案。这些差异可能涉及器件特性、测试环境以及数据处理等多个方面。通过了解这些挑战和解决方案，用户能够更有效地进行SiCMOSFET器件的测试与分析。由于SiCMOSFET器件的亚阈值电流相对较高，在测量体二极管上的温度时，需要采用负VGS来有效抑制沟道中的旁路电流。图6展示了在不同VGS条件下，即VGS=0V、-5V、-5V和-6V，SiCMOSFET器件体二极管上的VF正向电压的变化情况。为了更准确地捕捉早期瞬态信号，纵轴采用了“准温度”（电压变化乘以TSP）来进行比较。图6展示了在不同VGS条件下，即VGS=0V、-5V、-5V和-6V，SiCMOSFET器件体二极管上的“准温度”变化。可以看出，当VGS=-5V和-6V时，瞬态响应几乎一致，因此在实际测量中，无需进一步降低VGS。

SimcenterPowerTester功率循环测试设备具备+20V和-0V范围内的正负VGS能力，为这种测量方法提供了有力支持。在测试过程中，SiCMOSFET器件体二极管上的VF正向电压可能高达3V或更高，特别是在驱动电流较大时。这种高电压可能对测试造成一定障碍，但SimcenterPowerTester的最新测试电流源设计已将Isense的电压范围扩展至±2V，从而允许最多串联四个器件进行测试，每个器件上的最大压降为3V。

此外，在功率循环测试系统中，由于寄生的导线电感无法彻底优化，因此在高电流下会存储大量感应能量。这些能量在加热电流关闭后需要时间释放/耗散，可能长达数十微秒。同时，栅极电压的切换也可能产生高电压尖峰，影响器件寿命甚至可能损害测试系统。为了保护器件和测试系统，SimcenterPowerTester允许用户灵活选择栅极电压开关延迟，以找到系统保护和电瞬态长度之间的最佳平衡。图7展示了SiCMOSFET（型号MD20HFR20C2S）在特定条件下的开关瞬态对比。当驱动电流为0A，测试电流为-A时，6μs的栅极电压延迟显著消除了开关期间的电压尖峰。

此外，为了进一步提升SiCMOSFET的测试性能，SimcenterPowerTester的输入端过压保护也得到了加强。该系统还提供了导线电感识别功能和自动设置栅极延时的功能，这些新功能不仅有助于用户识别被测器件接线的合理性，还能自动为用户设置恰当的栅极延时。接下来，我们探讨了SiCMOSFET器件的功率循环测试。在功率循环过程中，高电流时器件两端电压的增加是一个重要的停止指标，通常用VD,on和RDSON来表示。VD,on的增加可能指示着连接漏极和源极的键合线或其他相关部件的退化。同时，RDSON的升高也可能与芯片温度上升有关，这可能是由于热传导路径的退化，例如Die-Attach、分层或裂纹等问题所导致。在SiCMOSFET器件中，VD,on与RDSON大致成正比，因此其与温度相关的增长可能高于IGBT的Vsat饱和电压增长。这种可逆的增长可能会影响测得的VD,on，导致测试过程过早停止并低估实际寿命。

为了解决这个问题，ECPEAQG-指导的附录III第4页建议定义和监控额外的冷端通态器件电压（VDS,on,cold）参数。无论采用何种方案，用户都拥有定义VDS,on,cold参数的自由度。

SimcenterPowerTester提供了两种替代方案来解决这个问题。一种是在加热开始时测量冷端通态电压Von,cold。为了确保准确的时序，需要考虑到开关模式电源提供的高负载电流，并在调节时间后电流稳定时进行测量。用户可以设置适当的时间延迟，以确保加热电流稳定且温度升高最小化。这种方法的好处是它能在正常循环条件下工作，并在每个循环中捕获Von,cold。然而，其精度受到加热电流稳定所需时间的影响，因此在达到所需设定水平之前，温度升高可能会对结果产生影响。图9展示了冷端通态电压的测量示意图。在降低的负载电流条件下，我们捕获了通态电压Von,LP参数。当加热电流降低时，加热功率会以平方比的形式减小，即负载电流减少0倍，负载电压也相应减少0倍，但功耗和温度变化却减少了00倍。这种测量方式的优点在于，通过精心选择加热电流，我们可以有效地控制温度变化对结果的影响。然而，它要求在测试流程中加入专门的功率循环测试，这在一定程度上限制了监测的时间分辨率。图0展示了在降低的负载电流条件下测量的通态电压情况。在SimcenterPowerTester中，我们可以利用上述定义的参数作为功率循环测试的停止指标。随着新半导体材料的引入，电力电子领域发生了显著变化。SiC器件因其宽禁带和介电强度高等特性，在汽车、牵引和功率转换等领域得到了广泛应用。为了应对这些新挑战，测试设备制造商已开发出新颖的测试概念，包括在功率循环测试中加入热特性和可靠性测试。

在MOSFET结构中，体二极管常被用作测量温度的部件。然而，在SiC器件中，由于电荷捕获效应，瞬态信号可能发生长时间变化。此外，零栅极电压下的寄生电流也可能影响测量。这些影响可以通过负栅极电压进行抑制。

为了在瞬态测量中获得适当的高功率并模拟实际负载条件，晶体管的发热通常发生在沟道电阻的导通状态。在冷却过程中，需要适时切换加热电流和栅极电压。通过合理的定时控制和开关事件分离，可以防止电压尖峰对测试样本和系统的损坏。

在可靠性测试中，通态电压的增加是一个重要的寿命终止指标，尤其在高电流条件下。这通常与封装内部电气互连的退化有关，但器件温度也会影响该参数。对于SiC器件，热效应可能更为显著，因此需要引入新的监控参数。在加热前或低加热电流条件下进行额外的通态电压测量，有助于区分温度升高和结构退化。

SimcenterPowerTester为用户提供了满足上述要求的解决方案，为SiC器件的全面测试提供了有力支持。JEDECStandardJESD5–：该标准详细介绍了集成电路的热测量方法，包括电气测试方法，特别适用于单半导体器件的测试。ECPEGuidelineAQG：此指南专注于汽车用功率电子转换单元中功率模块的合格评定。MartaRencz等人的著作：该书深入探讨了电子组件的热瞬态测试的理论与实践，为相关研究提供了全面的指导。

这些资源覆盖了从标准到实践的多个方面，为用户提供了关于SiC器件热特性和可靠性测试的全面参考。Kumar,V.;Maan,A.S.;Akhtar,J.探讨Ni/4H-SiC肖特基二极管温度传感器中由势垒高度不均匀性引发的热敏感性异常现象。该研究结果已发表在《真空科学与技术杂志》B卷，年，第32卷，第期。Vacca,G.对比硅与硅碳化物功率器件的优劣势。该研究概述了硅碳化物功率器件相较于传统硅器件的显著优点，包括更高的耐压性、更低的导通电阻以及更快的开关速度。该文章已被收录于《半导体化合物与先进硅技术》杂志，年，第2卷，第72-75页。Langpoklakpam,C.等人。全面回顾硅碳化物功率MOSFET的加工技术。该研究深入探讨了硅碳化物功率MOSFET的加工流程、关键技术及其应用前景。该文章已被《晶体》杂志接受，年，第2卷，第期。Semikron-Danfoss官方网站。提供有关SKMB0硅碳化物功率模块的详细数据手册。该数据手册详细介绍了该模块的性能参数、应用领域以及使用注意事项。访问日期：年9月。Lutz,J.;Schlangenotto,H.;Scheuermann,U.;DeDoncker,R.深入探讨半导体功率器件的物理特性、性能表现及可靠性。该书为年第二版，由Springer出版。Funaki,T.;Fukunaga,S.探讨SiCMOSFETs的瞬态热阻抗特性。该研究在年9月2日至23日于匈牙利布达佩斯召开的第22届国际集成电路与系统热特性研讨会（THERMINIC）上提出，并详细介绍了相关研究成果。