تحسين مقاومة الانهيارات الثلجية لثنائيات شوتكي 4H-SiC و MOSFETs

“يتمثل الاتجاه الأخير في سوق أشباه الموصلات في الاعتماد الواسع النطاق لأجهزة كربيد السيليكون (SiC) ، بما في ذلك صمامات شوتكي ثنائية الحاجز (SBDs) و MOSFETs للطاقة للتطبيقات الصناعية والسيارات. في الوقت نفسه ، أصبحت الموثوقية طويلة المدى لهذه الأجهزة مشكلة ساخنة بسبب محدودية البيانات الميدانية المتاحة للتحليل. بدأ بعض موردي SiC في المصادقة على أجهزة SiC وفقًا لمعايير الصناعة والسيارات الصارمة (AEC-Q101) ، بينما يتخطى الآخرون معايير التأهيل هذه ويقدمون بيانات لاختبار تحمل البيئة القاسية.من أجل الحفاظ على اختراق عالي لأجهزة SiC في تطبيقات المهام والسلامة الحرجة ، فإن

“

Amaury Gendron-Hansen ، مهندس تصميم الأجهزة ، Microsemi ، شركة فرعية Microchip

أفيناش كاشياب ، مدير تطوير التكنولوجيا ، Microsemi SiC ، شركة فرعية Microchip

دوميترو سردولا ، مدير هندسة الأجهزة / التطوير ، شركة Microsemi ، وهي شركة فرعية من نوع Microchip

يتمثل الاتجاه الأخير في سوق أشباه الموصلات في الاعتماد الواسع النطاق لأجهزة كربيد السيليكون (SiC) ، بما في ذلك صمامات شوتكي ثنائية الحاجز (SBDs) و MOSFETs للطاقة للتطبيقات الصناعية والسيارات. في الوقت نفسه ، أصبحت الموثوقية طويلة المدى لهذه الأجهزة مشكلة ساخنة بسبب محدودية البيانات الميدانية المتاحة للتحليل. بدأ بعض موردي SiC في المصادقة على أجهزة SiC وفقًا لمعايير الصناعة والسيارات الصارمة (AEC-Q101) ، بينما يتخطى الآخرون معايير التأهيل هذه ويقدمون بيانات لاختبار تحمل البيئة القاسية. من أجل الحفاظ على الاعتماد العالي لأجهزة SiC في تطبيقات المهام والسلامة الحرجة ، من الأهمية بمكان أن يتم دمج استراتيجية التأهيل والاختبار هذه مع قواعد تصميم محددة لتحقيق تفاوت عالٍ للانهيار الجليدي.

سوق سريع النمو

من المتوقع أن تتسارع الحصة السوقية لأجهزة SiC في السنوات القادمة ، مدفوعة بشكل أساسي بكهربة صناعة النقل. ستكون قوالب SiC هي اللبنات الأساسية في الوحدات النمطية للتطبيقات مثل أجهزة الشحن على متن الطائرة وأنظمة الجر لمجموعة نقل الحركة. نظرًا لارتفاع المجال الكهربائي الحرج لانهيار الانهيار الجليدي ، فإن أجهزة SiC عالية الجهد لها عامل شكل أصغر بكثير من أجهزة السيليكون المماثلة ويمكن أن تعمل بترددات تحويل أعلى. كما أن الأداء الحراري لـ SiC جيد جدًا ، فهو لا يتمتع بأداء جيد في تبديد الحرارة فحسب ، بل إنه يعمل أيضًا في درجات حرارة عالية. من الناحية العملية ، تصل درجة حرارة التشغيل القصوى عادةً إلى 175 درجة مئوية ونادرًا ما تتجاوز 200 درجة مئوية ، وهي تقتصر بشكل أساسي على عملية التجميع (معدن اللحام ومواد التغليف). تعد أجهزة SiC أكثر كفاءة بطبيعتها من أجهزة السيليكون ، ويمكن أن يؤدي التحول إلى قوالب SiC إلى تقليل عدد القوالب الفردية في الوحدة بشكل كبير.

نظرًا لأن أجهزة SiC تنتقل من مكانة إلى أخرى ، يتم التغلب تدريجياً على التحديات الرئيسية المرتبطة بزيادة الإنتاج الضخم. لتسهيل هذا الانتقال ، تقوم القوات المسلحة البوروندية ببناء خطوط إنتاج SiC يمكنها مشاركة الأدوات مع خطوط إنتاج السيليكون الحالية. يعمل هذا الترتيب على تقليل تكلفة قالب SiC بشكل فعال ، حيث يشترك في النفقات العامة مع خط إنتاج Si. لم تعد قيود توريد الرقائق مشكلة حيث يعمل موردو الرقاقات على زيادة طاقتهم بشكل كبير. بفضل التحسينات المستمرة في ركائز 4H-SiC والنمو فوق المحور ، تتوفر الآن رقائق عالية الجودة مقاس 6 بوصات مع كثافة عيوب بلورية منخفضة للغاية. وفقًا لاختبارات المعلمات الكهربائية ، كلما زادت جودة الرقاقة ، زاد إنتاجية أجهزة SiC.

ومع ذلك ، من المهم أن نتذكر أنه نظرًا لأن هذه الأجهزة موجودة في السوق منذ بضع سنوات فقط ، فإن بيانات الموثوقية الميدانية محدودة. بالإضافة إلى ذلك ، تعد أجهزة SiC أكثر صعوبة في التأهيل من أجهزة السيليكون نظرًا لمجموعة التحديات الخاصة بها. في أجهزة SiC ، يكون المجال الكهربائي في ظل ظروف التحيز العكسي أعلى تقريبًا من حيث الحجم. يمكن لمثل هذه المجالات الكهربائية العالية أن تلحق الضرر بسهولة بطبقة أكسيد البوابة إذا لم يتم تطبيق قواعد التصميم المناسبة. كثافة المصيدة بالقرب من واجهة أكسيد بوابة SiC أعلى أيضًا. نتيجة لذلك ، قد يحدث عدم الاستقرار أثناء اختبار الاحتراق بسبب الفخاخ المشحونة. كان تركيزنا دائمًا على تحسين الموثوقية على المدى الطويل ، وكانت النتائج مشجعة ، حيث أظهرت التقارير الأخيرة أن الأجهزة مؤهلة لمعايير الصناعة والسيارات الصارمة (AEC-Q101).

بالإضافة إلى ذلك ، بدأ موردو SiC أيضًا في اتخاذ الخطوة التالية ، وهي توفير بيانات لاختبار التحمل البيئي القاسي.

اختبار مقاومة البيئة القاسية

على سبيل المثال ، أجرت Microchip ، من خلال شركة Microsemi الفرعية التابعة لها ، اختبارات تحمل البيئة القاسية على SiC SBDs و MOSFET لعقد جهد 700 فولت و 1200 فولت و 1700 فولت. أظهرت الاختبارات أن المستوى العالي من تحمل التحويل الاستقرائي غير المثبت (UIS) أمر بالغ الأهمية لموثوقية الجهاز على المدى الطويل. يتضح أيضًا أنه أثناء اختبار UIS ، تتدفق التيارات العابرة العالية عبر الجهاز المنحاز العكسي وتدفعه إلى انهيار الانهيار الجليدي. في ظل العمل المشترك للتيار العالي والجهد العالي ، يتم توليد كمية كبيرة من الحرارة وترتفع درجة الحرارة بشكل حاد. يمكن أن تصل درجة الحرارة القصوى المحلية لقوة MOSFET الدائمة إلى 500 درجة مئوية ، أعلى بكثير من تصنيف درجة الحرارة النموذجي.

يرتبط تحمل UIS ارتباطًا وثيقًا بجودة epitaxy وعملية التصنيع في الطرف الأمامي والخلفي لخط الإنتاج. حتى العيوب البلورية الصغيرة في التصلب أو العيوب المتعلقة بالعملية يمكن أن تشكل رابطًا ضعيفًا ، مما يتسبب في فشل سابق لأوانه في الجهاز أثناء اختبار UIS. وهذا يفسر سبب وجوب تضمين اختبار UIS (RUIS) أحادي النبضة والمتكرر في تحليل شامل لتحمل خط الإنتاج.

يستخدم اختبار النبضة الواحدة كاختبار فحص لتحديد الأجهزة ذات تحمل UIS الأقل. من أجل ضمان تصنيف UIS في ورقة بيانات المنتج ، يجب اختبار جميع الأجهزة قبل الشحن إلى العميل. ومع ذلك ، قد يتعرض الجهاز لأحداث UIS متعددة أثناء الخدمة الميدانية. من أجل تحليل خصائص التآكل التدريجي ، يلزم إجراء اختبارات متكررة. للتوصيف المتعمق ، يجب تطبيق عدد كبير من النبضات على الجهاز ، والممارسة الشائعة هي 100000 صدمة.

أثناء نبض UIS ، يتناقص التيار في الجهاز قيد الاختبار باستمرار ، بينما يظل الجهد ثابتًا بشكل أساسي ، ولكنه يختلف قليلاً بسبب التأثيرات الحرارية (الشكل 1). يتم تحديد طاقة نبضة UIS بالتيار الأقصى في بداية النبضة ومحاثة الحمل. أثناء الاختبار ، يتم ضبط الطاقة عن طريق تغيير قيمة المحاثة. يظل الحد الأقصى للتيار ثابتًا ؛ وهو يساوي التصنيف الحالي الأمامي لـ SBD ، والذي يساوي أيضًا ثلثي تصنيف تيار التصريف لـ MOSFET.

الشكل 1: إعداد اختبار RUIS وأشكال الموجات الحالية والجهدية أثناء نبض UIS

يحتوي اختبار RUIS على قيود محددة ، والغرض الرئيسي منها هو منع تراكم درجة الحرارة من نبضة إلى أخرى. قبل تطبيق نبضة جديدة ، من المهم التأكد من أن درجة حرارة الجهاز قريبة من درجة الحرارة المحيطة. في إعداد الاختبار الموضح في الشكل 1 ، تم استخدام مستشعر مزدوج حراري لمراقبة درجة حرارة الجهاز ، وتم تعديل تردد تكرار النبض للحصول على قراءة ثابتة. للمساعدة في تبريد الجهاز ، يجب تثبيته على غرفة التبريد أسفل المروحة مباشرةً.

تصميم الجهاز لتحمل الانهيار الجليدي العالي

بالإضافة إلى استخدام عملية اختبار مناسبة ، يتطلب تسامح UIS الأفضل في فئته استخدام المجموعة التالية من قواعد التصميم:

w تم تصميم نهايات الجهد العالي بجهد انهيار جوهري مرتفع بما يكفي لضمان دخول المنطقة النشطة في الانهيار الجليدي أولاً. في هذه الحالة ، تنتشر الطاقة على المنطقة النشطة بأكملها ، وليس في النهاية الضيقة ، مما قد يؤدي إلى فشل سابق لأوانه.

يعد تدريع المجال الكهربائي في منطقة JFET من MOSFET أمرًا بالغ الأهمية لحماية أكسيد البوابة. يجب تحسين مخطط التصميم والغرس الخاص بالبئر المخدر من النوع P المستخدم لتحديد منطقة JFET بعناية من أجل توفير حماية كافية دون التأثير بشدة على المقاومة في الحالة.

w استخدم مواد التخميل ذات الموصلية الحرارية العالية لتوفير مسار لتشتت الحرارة عبر الجزء العلوي من القالب.

تعمل كل من ثنائيات Schottky و MOSFETs القوية المصممة باستخدام هذه القواعد بشكل جيد في اختبارات التحمل في البيئة القاسية. استمر اختبار SBD حتى فشل UIS أحادي النبضة ومتكرر ، مع مراقبة معلمات DC المتعددة. تظهر نتائج هذا الاختبار أن الجهد الأمامي وتيار التسرب العكسي للجهاز مستقران تمامًا ، بينما يزيد جهد الانهيار العكسي قليلاً ، وهو ما يمكن أن يُعزى إلى محاصرة الناقل الحر بالقرب من السطح العلوي من SiC. تظهر طاقة النبض قبل الفشل في الشكل 2. يزيد تحمل UIS مع تصنيف جهد الجهاز. بالنظر إلى أن معظم الحرارة تتولد في المنطقة الفوقية ، فليس من الصعب تفسير هذا الاتجاه. مع زيادة سماكة الفوق بسبب زيادة معدل الجهد ، تنخفض الحرارة المتولدة لكل وحدة حجم ، مما يقلل بدوره درجة الحرارة في الجهاز. يتم تقليل التسامح مع معهد اليونسكو للإحصاء بشكل منهجي بسبب الاختبار المتكرر ، ولكن إلى حد ضئيل. بالمقارنة مع UIS أحادي النبضة ، يكون الفرق أقل من 10٪. لا يوجد تأثير إضافي قوي لنبضات UIS المتعددة ، ومن المتوقع أن تحافظ SBD على درجة تحمل عالية أثناء التكليف الميداني.

الشكل 2: طاقة محددة لكل منطقة نشطة قبل فشل وحدات SBDs 700V و 1200V و 1700V SiC

يجب أن يركز توصيف تحمل البيئة القاسية للـ MOSFET على الموثوقية طويلة المدى لأكسيد البوابة ، والتي لا تتطلب الضغط على الجهاز إلى الفشل. بدلاً من ذلك ، يمكن استخدام اختبار متكرر يتكون من 100000 نبضة منخفضة الطاقة نسبيًا. على سبيل المثال ، تم تصميم وحدات MOSFETs Microsemi 1200V / 40 mΩ باستخدام قواعد تحمل الانهيارات الجليدية ، وتم اختبارها بنبضات 100 مللي جول ، ولها تصنيف UIS أحادي النبضة يبلغ 2.0J. لا تتأثر معظم معلمات التيار المستمر ؛ ومع ذلك ، لوحظت زيادة متواضعة في تسرب البوابة لأن هذا الاختبار يضغط على أكسيد البوابة. لتحديد ما إذا كانت الموثوقية طويلة المدى قد تم اختراقها ، قمنا بفرض انهيار عازل متغير بمرور الوقت على الجهاز. يوضح الشكل 3 وقت الفشل عند تطبيق 50 A من التيار المستمر على بوابة الأجهزة المختلفة ، بما في ذلك أجهزة Microsemi SiC التي تم تطويرها باستخدام قواعد تحمل الانهيار الجليدي للشركة ، بالإضافة إلى الأجهزة من ثلاثة موردين رائدين آخرين.

الشكل 3: أوقات فشل TDDB لوحدات MOSFET 1200 فولت من أربعة موردين

التمسك بـ SiC

يتطلب اعتماد أجهزة SiC في الأسواق الصناعية وأسواق السيارات متطلبات موثوقية صارمة على المدى الطويل. أفضل استراتيجية لتلبية هذه المتطلبات هي تأهيل المنتج لمعيار السيارات AEC-Q101 وتوصيف اختبارات المقاومة البيئية الشديدة التي لم يتم توحيدها بعد. من المهم أيضًا تحقيق درجة تحمل عالية للانهيارات الجليدية من خلال تطبيق قواعد التصميم. عند استخدامها معًا ، لا تساعد هذه التدابير فقط في ضمان استمرار أجهزة SiC في طريق الاعتماد السريع ، ولكنها توفر أيضًا الموثوقية طويلة المدى المطلوبة لهذه التطبيقات.