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汽车级认证:超越标准的方法

跨年技术巨献-8篇连载

我们将以白皮书的形式介绍碳化硅MOSFET栅极氧化层可靠性,交流和直流偏压温度不稳定性,体二极管退化,抗短路和宇宙射线能力,产品标准和汽车级认证等8大话题,全文3万多字。

今天我们继续讲解

《汽车级认证:超越标准的方法》

碳化硅(SiC)以其固有的优越物理材料特性和高击穿场,是帮助达成“电气化将主宰汽车业的未来”的最佳候选技术之一,这是在汽车界中呼声日益高涨的共识。由于SiC器件在工业和汽车应用中都能使用,所以英飞凌采用不同的质量类别来归类我们的产品。根据我们的质量手册,区别可以描述如下:

工业

﹥广泛的应用

﹥使用寿命更长,位于5年到30年之间,或者在恶劣的环境条件

﹥基准质量认证方法可保证符合标准(如JESD47),而额外的可靠性验证(如果需要)可保证符合特定的应用条件

汽车

﹥变化广泛的使用条件和负载

﹥寿命≥15年

﹥ppb级的质量目标/OEM不能有任何一个产品失效

﹥AEC Q-100/101标准中确定的、在应用中的可靠性鉴定方法

汽车应用条件目前因为汽车市场的瞬息万变而有广泛的变化,宽禁带半导体因为明显有能力满足一些更严苛的需求而越来越受欢迎。进入这个市场的代价是高质量保障即能够实现更长的使用寿命,了解不同的失效机制,以及新的激发能量。总体而言,提高性能的需求正在成为一种常态,也是供应商取得竞争优势的途径之一。

汽车市场的演变——尤其是电动汽车技术的演变——对产品质量评估有以下影响:

1、因为应用条件而需要更长的应力施加时间。AEC-Q101是在任何情况下都必须满足的一项最低标准。

2、设计新应力条件,以涵盖实际应用条件,以及新技术在这些条件下的表现。

3、可靠性验证现在得从比标准质量认证试验更高的级别开始。

图27.基于分立器件产品现有的汽车标准AEC-Q101,增加质量保障的最佳已知方法

仅仅满足汽车行业的标准已经不够了,AEC-Q101被视为必须遵守的指导原则之一,但应用条件如今要求在恶劣的环境条件下以更快的开关速度实现更高的可靠性。所有这些都是在比硅技术的典型击穿场强提高多达15倍的场强下进行的。

对于电动汽车而言,同样的高压器件产品必须同时满足不同的工作模式,并且在每种模式下都能实现高可靠性。

充电模式,可在稳定的高直流母线电压下运行3万小时以上

驾驶模式,根据电池性能,能在高结温下和宽电压范围内运行大约8000小时

预处理,新的纯电动车型具有的一项功能,例如,在使用汽车之前给内部驾驶空间加热,以定时或远程的方式启动。在这种模式下需要运行3000小时。

将AEC-Q101中的要求数据转化为等效的应力时间时,发现在应用条件与新兴应用的需求之间存在明显的不匹配,凸显出了对能超越当前汽车标准的、能满足更严苛的质量要求的技术(如SiC技术)的需求。

图28.典型的纯电动车应用的应用条件(驾驶模式和充电模式)。将AEC-Q101中的要求(比如1000小时)转化为等效的运行小时数时发现,该标准无法满足所有需求

由于产品的复杂度日益提高以及用例更具有挑战性,可靠性裕度因此已被降低:应用需求如今设定在过去的可靠性研究开始时的水平。

图29.因为更苛刻的应用需求,可靠性裕度相比AEC-Q101标准必须进行扩展。

汽车级SiC客户需要更高的现场应用可靠性

汽车市场要求dpm率(百万缺陷率)极低,传统基于Si的半导体和基于SiC的技术在能实现的可靠性上应没有区别。因此,必须在尚未达到Si技术的成熟度的这种新技术,与满足汽车应用需求的可接受的失效率之间,找到一个折中点。

栅极氧化层:更厚的栅极氧化层使得筛查能力提高,从而达到减少外在缺陷的要求。

宇宙射线:漂移带(外延层)的设计要能确保更强的抗宇宙辐射能力。调整漂移层电阻Rdrift可以增强或减弱抗宇宙辐射能力。

图30.失效率主要由栅极氧化层稳定性和抗宇宙辐射能力共同决定

保证汽车零部件对湿度的耐受力

任何汽车零部件都是经常暴露在变化不断的、有时是恶劣的气候条件下,因此必须保护这些器件不被渗水,并避免由此导致的腐蚀和/或氧化。类似于太阳能或牵引等户外应用的工业应用条件,在特定的环境下,汽车应用的质量认证程序和技术措施必须保证其达到超高的可靠度。

现行版本的AEC-Q101要求在最高100V的电压下进行高湿高温反向偏压试验(H3TRB),100V这个值明显不适合最高偏压可以达到1200V的高压应用。考虑到SiC器件的外部几何形状限制以及有源区域最大化的需要,它的横向电场强度名义上比Si器件要高,这使得SiC技术对于跟湿度有关的失效机制尤为敏感。

要想检验SiC器件在不同湿度条件下的可靠性,高压H3TRB(VDS=80%VDSS)是更合适的方法。考虑到许多应用中的运行电压都远高于汽车标准规定的100V,所以这是最合理的方法。

正如上一篇推送《SiC MOSFET产品质量认证与寿命评估方法》中已经讲到的,影响可靠性的也有动态特性:开关器件典型的边缘端接充放电效应,在开关性能明显优于硅的SiC中更为突出。因为这个原因,可以进行动态H3TRB这一应力试验,以验证终端的可靠性不会因器件导通和关断引起的电场强度持续变化而受到负面影响。如果适当地调整占空比,当电压快速上升(dv/dt)时(更高的阻断电压、加速老化),动态H3TRB可以帮助解决与过冲有关的任何失效机制。由于许多工业应用和汽车应用在湿气暴露方面存在相似性,所以比较表1、表2和表3时明显可以看出所用的质量认证方法也是相似的。

▼表3.英飞凌为进行汽车级质量认证所选择的试验条件

如果不使用这些试验方法,就不可能开发出前面提到的创新钝化概念来保护终端不被湿气渗透。凭借HV-H3TRB和动态H3TRB试验,的确发现且进而避免了许多新的失效机制。

图31.SiC试验车辆在接受内部物理检查后发现的失效机制。退化是通过HV-H3TRB和动态H3TRB触发的,其中,包含钝化在内的终端设计不够合理。

只有开发出新的钝化概念并且重复更严苛的湿度应力,SiC技术才有可能被允许用于汽车应用。在这个过程中,英飞凌可以借鉴许多工业产品发布过程中所积累的经验。

图32.为通过高湿度条件下的质量认证,使用耐湿材料进行钝化的终端

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