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TO-263封装SiC MOSFET的栅极氧化层与封装可靠性研究
Gate Oxide and Package Reliability of TO-263 SiC MOSFETs
| 作者 | Rahman Sajadi · C. N. Muhammed Ajmal · Bilal Akin |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 栅氧化层 封装可靠性 加速老化测试 热机械应力 |
语言:
中文摘要
本文对来自四家不同供应商的 TO - 263 封装碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)进行了全面的可靠性分析,重点关注栅极氧化物和封装的退化情况。开展了一系列加速老化测试(AAT),包括正高温栅极偏置(PHTGB)、负高温栅极偏置(NHTGB)、高温反向偏置(HTRB)和直流功率循环(DCPC),以研究栅极氧化物和封装的可靠性。高温栅极偏置(HTGB)和高温反向偏置(HTRB)测试结果表明,与类似设计相比,栅极氧化物厚度即使仅减少 10 纳米,也会对栅极氧化物的可靠性产生显著影响。此外,负高温栅极偏置(NHTGB)测试结果显示,与正高温栅极偏置(PHTGB)相比,器件更容易发生故障,这反驳了器件在关断状态下的寿命比导通状态下更长的观点。这些结论是通过聚焦离子束(FIB)和透射电子显微镜(TEM)测量得出的,这些测量方法提供了器件详细的横截面图像。此外,还对 TO - 263 封装的可靠性进行了评估,强调了器件与印刷电路板(PCB)之间的焊点疲劳失效是一个重大问题。这种失效机制可能导致器件从印刷电路板上脱落,从而造成连接中断。该研究强调了优化栅极氧化物厚度和解决热 - 机械应力对于提高采用 TO - 263 封装的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管在高功率应用中的整体可靠性的重要性。
English Abstract
This article presents a comprehensive reliability analysis of TO-263 silicon carbide MOSFETs (SiC MOSFETs) from four different vendors, focusing on gate oxide and package degradation. A range of accelerated aging tests (AATs), including positive high-temperature gate bias (PHTGB), negative high-temperature gate bias (NHTGB), high-temperature reverse bias (HTRB), and dc power cycling (DCPC), are conducted to investigate both gate oxide and package reliability. The findings from HTGB and HTRB tests emphasize that even a 10 nm reduction in gate oxide thickness can significantly impact gate oxide reliability compared to similar designs. Furthermore, the results from NHTGB show that the devices are more prone to failure compared to PHTGB, disproving the idea that the device lifetime is longer in the off-state compared to the on-state. The conclusions are drawn from measurements using focused ion beam (FIB) and transmission electron microscopy (TEM), which provide detailed cross-sectional images of the devices. Additionally, the reliability of the TO-263 package is assessed, highlighting solder fatigue failure between the device and the printed circuit board (PCB) as a significant issue. This failure mechanism can lead to the detachment of the device from the PCB, resulting in a loss of connection. The study underscores the importance of optimizing gate oxide thickness and addressing thermal–mechanical stresses to enhance the overall reliability of SiC MOSFETs with TO-263 packages in high-power applications.
S
SunView 深度解读
作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,阳光电源在产品设计中大量采用SiC MOSFET器件以提升系统效率和功率密度。本研究针对TO-263封装SiC MOSFET的栅氧化层和封装可靠性分析,对我司产品开发具有重要指导意义。
研究揭示的两个核心发现直接关联我司业务痛点:首先,栅氧化层厚度即使减少10纳米也会显著影响器件可靠性,这提示我们在供应商选型时需建立更精细的栅氧化层厚度评估标准。更值得关注的是,负偏压高温栅偏测试(NHTGB)显示器件在关断状态下比导通状态更易失效,这颠覆了传统认知,要求我们重新评估逆变器和储能变流器在待机模式下的长期可靠性设计。
封装层面,研究指出TO-263封装存在焊料疲劳导致器件与PCB脱离的风险。考虑到光伏逆变器需承受昼夜温差和季节性温度循环,储能系统面临频繁充放电的热机械应力,这一失效机制可能严重影响25年设计寿命目标。建议我们在功率模块设计中优先考虑热匹配性更好的封装方案,或通过优化PCB铜厚、焊盘设计来缓解热应力。
从技术成熟度看,该研究采用FIB和TEM等先进表征手段,为可靠性评估提供了微观证据,具有较高参考价值。建议我司与关键SiC器件供应商建立联合可靠性验证机制,将栅氧化层厚度控制和封装热管理纳入器件定制规范,这将成为提升产品竞争力和降低现场失效率的重要抓手。