En mycket välrenommerad forskare inom området krafthalvledare,  Josef Lutz, professor vid Techniche Universität Chemnitz, berättade nyligen om tillförlitligheten hos SiC-komponenter och SiC-moduler i ett seminarium på KTH. Är de tillräckligt tåliga för din konstruktion?

Talaren har djup erfarenhet av halvledare med brett bandgap. Han har tidigare arbetat på Semicron och forskat inom kraftelektronik i över 30 år. Huvudämnet för hans forskning har varit robusthet och tillförlitlighet hos kraftkomponenter.

Joseph Lutz tog i sin presentation upp två typer av fel, relaterade dels till chip, dels till kapslingsteknik.

Halvledarkomponenter följer alla den så kallade badkarskurvan, vilket innebär ett högre antal fel initialt och så småningom en ökad felfrekvens i slutet av komponentens livstid.

Fel som är relaterade till själva halvledarchipet drabbar gate-oxiden, i denna eller på grund av yttre påverkan (så att oxiden bitvis blivit tunnare). Fel i chipet kan orsakas av fukt, kosmisk strålning och överbelastning.

Även kapselns funktion kan påverkas av fukt och den kan förstöras vid temperaturskiften, t ex vid cykliska temperaturtester.

Halvledarmaterialen i sig sätter begränsningar: Medan kisel tillåter en fältstyrka upp till 2×10⁵ V/cm, tål halvledare med brett bandgap, SiC och GaN, 3×10⁶ V/cm. Kiselkarbid (4H-SiC) leder värme mycket bra: 0,37 W/mmK, jämfört med kisel (Si) vars termiska konduktivitet ät 0,13 W/mmK. SiC-halvledare tillverkas i första hand på SiC-wafers, medan GaN-halvledare brukar läggas på SiC eller en Si-wafer eftersom fristående GaN-wafers av stor diameter saknas idag.

I en jämförelse mellan Si och SiC klarar båda hög temperatur vid reverserad bias med godtagbart utfall. När det gäller stresstålighet hos gaten, vid hög temperatur, är utfallet godtagbart för Si, medan SiC innebär flera utmaningar med ett utfall som skiljer sig beroende av leverantör.

För både Si och SiC är tester med förhöjd temperatur, fuktighet och bias vid 80 procent av märkspänningen V_BD kritiska tester. Samma gäller påverkan av kapseln vid temperaturcykling.

Effektcykling är ett annat test där man har stor kunskap om hur Si uppför sig och där olika teknologier tillämpas. Efterson SiC tål högre temperaturer och även har större styvhet (Young modulus) är utmaningarna större vid lödning av chip och trådbondning.

Känsligheten för kosmisk strålning är i stor utsträckning relaterad till halvledares konstruktion och inre fältstyrka.  Den högre tålighet mot genombrott vid hög fältstyrka som SiC medger i sig har hittills bara utnyttjats till en del. Här finns en potential för framtida utveckling.

Fysiken bakom felen vid kosmisk strålning verkar vara samma för Si och SiC. Men den mindre ytan hos SiC-halvledare med jämförbara prestanda verkar vara en fördel.

Gränser att tänka på
För konstruktören gäller att inte gå för nära gränserna för destruktion av SiC-komponenten. Det gäller inte minst vid kortslutning.

Kortslutning kan leda till att mobiliteten minskar med tiden i en puls, hög läckström från gaten efter frånslag eller att transistorn leder efter frånslag.

I en SiC-MOSFET kan en kortslutning orsaka en tillräcklig temperaturökning för att Al metalliseringen genomgår en strukturell förändring vilket påverkar även trådanslutningar. Vid ungefär 1000 °C förstörs komponenten.
Kraftig temperaturökning kan även skapa en läckström efter en påförd puls. Den termiskt genererade läckströmmen kan aktivera den parasitiska npn-transistor som finns i strukturen för en MOSFET vilket leder till förstörelse av komponenten.

Termisk-mekanisk påverkan vid effektcykling och kortslutning leder till minskad komponentlivstid och minskad livstid för gate-oxider.

Professor Lutz berättade att man nu gör framsteg i att skapa modeller för att beskriva extrema driftsituationer.

Filed under: KTH, Teknikartiklar