工信部陈媛：车规级SIC功率器件可靠性评估标准体系建设思考
时间: 2023-12-13 21:39
来源: 2023芯片大会
作者: editor
2023年12月5日-6日，由中国汽车工业协会和中国电子科技集团有限公司共同主办的“2023全球汽车芯片创新大会暨第二届中国汽车芯片高峰论坛”在无锡滨湖举办。本届芯片大会以“共享中国机遇•共谋创新发展•共赢产业未来”为主题，设置了“1场高层峰会、1场主旨论坛、4场主题论坛”共6场会议。其中，在12月6日下午举办的“主题论坛四：汽车芯片标准化发展”上，工业和信息化部电子第五研究所研究员、国家重点实验室总师陈媛发表精彩演讲。
以下内容为现场演讲实录：
很高兴和大家分享这个主题，跟大家介绍一下因为本人是做国家重点实验室做第三代半导体功率器件可靠性的研究工作的。同时因为我们所是作为权威第三方机构，平时也会有一些合规芯片的验证业务会找到我。在这个过程当中发现，其实器件的标准是非常确实的。下面就具体跟大家分享一下包括四个部分，首先看一下我们从普通的燃油汽车向新能源汽车转型过程当中，其实我们功率半导体的增长，增量量是最大的。我们根据统计数据来看纯电动汽车是燃油汽车的功率半导体成本是5倍左右，占了半导体总价值55%。
SIC MOSFFT由于有一系列的优点，比如说击穿电压高，电流能力强，功率损耗低，热稳定性好等等。使得他在新能源汽车当中具有非常大的应用优势，但是决定一种器件是否大规模的推广应用，除了性能上面的优势，其实耐用性，可靠性，成本都是综合性的因素。前段时间特斯拉事件会比较熟悉了，其实他的召回主要是因为使用的ST的SIC MOSFFT问题导致的。SIC MOSFFT器件因为材料和器件跟普通的器件还是有非常大的区别，所以对于可靠性测试验证过程当中，其实会有非常多的一些区别。
我们看一下首先是他的缺陷的密度是更高的导致了漂移会更加的研究，测试过程当中会出现很多的不稳定的现象。还有就是说他的衬底会存在比较多的缺陷，外延也会存在比较多的缺陷。导致存在像传统没有的效果，比如说双级退化，这些都是SIC MOSFFT器件所特有一些现象。我们如何对他进行考核性评估，这些都是需要我们的思考的。
下面跟大家分享一下，对于SIC MOSFFT器件的可靠性测试验证的标准。这是一些国际标准，其实对于SIC MOSFFT考核性测试验证国际上面也是在构建当中的状态。像IEC成立了半导体的工作组，本人也是在IEC的工作组里面从事相关的工作。IEC这两个标准偏置温度不稳定的测试方法还有实验方法，吴所也是牵头进行相应的国标转化。但是一致认为我们对于国外标准的转化，其实不能说是紧紧翻译国外的标准，因为我们国内的器件相比于国外的器件是有特殊性，而且有一些平归的现状跟国外也是不同的。
所以我们在转化国际标准过程当中，其实是需要更多的一些去思考的技术层面上东西。但是我们可以看一下基本上是一些指南，指南意思就是说给你一个标准，但是并没有规定你的需要是什么，怎么样是合格的，需要做多少的小时的实验，我这个产品是可以用的。所以说整个现在的思想，只是给出大概的指导思想。
关于车规这一块儿很熟悉，对于器件级一般都是依据101做可靠性的考核。我们可以看一下这里面标注了一下，他的五各群组，测试里面，其实有很多的内容都是跟SIC MOSFFT器件不一样的。这里面这些详细的不同后面会跟大家一一分享，324在2021版的时候已经重点关注了SIC MOSFFT器件，也提出了我的哪些项目跟SIC MOSFFT器件不一样的，哪些项目是对于SIC MOSFFT器件增加的。但是他有一个问题给出了这项试验，比如说做动态，但是没有一些具体的操作流程和方法。另外就是说对于某一些，还是在国际上和国内都是有争议的，特别是动态的实验方法。但是指标的来源是什么，我们不得而知。
下面就是给大家具体看一下，SIC MOSFFT考核测试验证到底有哪些不同的地方。首先就是说阈值电压的测试这个都是半导体这些人比较头疼的问题，至于测试怎么样测不准每次测不一样。因为界面缺陷密度导致的，阈值电压漂移非常的严重。根据最新的要求来说，是给我们指导就是说，需要给他一个预处理脉冲。他的测试结果重复性，还有一致性会更高一些。吴所也是对这个方法做了一系列的验证，右边这边是功率循环的实验的结果。
下面我们没有处理的时候，可以看到他的变化是一个非常杂乱的无章的变化，变化幅度非常大。做完预处理以后，变化的趋势呈现单调的趋势了。所以我们现在的阈值电压的测试都是参考预处理的方法。我们可以看一下左边是传统的SIC MOSFFT器件的热组测试方法，如果采用这样的方法可以看一下，SIC MOSFFT器件会有的测试结果。我们看到他的降温曲线是呈现非单调下降的趋势的，我们在测试过程当中，我们车载的瞬间曲线必然是下降的。呈现这样一种非正常的趋势，说明他的测试结果肯定是错误的测试结果。
其实对于SIC MOSFFT器件应该是糖二级加热的方式，不会存在切换的过程，就避免了缺陷释放导致了参数测试不准确性。针对热组测试我们吴所已经发布了一个标准，是去年7月份发布的。如果大家有兴趣可以恰在看一下。功率循环的方法更加的复杂了，功率循环对于SIC MOSFFT器件来说，最大的跟SIC MOSFFT器件不同的地方。我们在测功率循环过程当中，是需要去监测节温，就是需要保证我们在完全关断的状态。
为什么注意这一点，给了七个不同的厂商的电压，其实差异性是非常非常大的。其实就是说我们做这个时候不能仅仅是根据我们的性能上面的我们使用的最小的进行测试，而是需要去测量关断电压。另外温度敏感性更高，那么这样问对性敏感性更高，会导致怎么样的结果。就是在线测试的数据，已经达到了需要判定的状态，实际上常温的数据根本没有太大的变化。这样会导致一个误判，第三个核心的要点就是说。他的阈值电压漂移，也会导致我们电组的增加。
这样的话我们其实循环主要是评估封装的可靠性的，阈值电压漂移导致的变化的话，实际上是芯片层面的退化。这样耦合了芯片和封装两个层面的时候，会导致我们判断会变得非常的复杂。针对以上的这三个问题，我们吴所也是牵头制定了标准，像中间说的做的SIC MOSFFT芯片比较多，比亚迪等等厂家，都有参与标准的制定。
高温实验相比于的要点不能关断，会存在两种方式，一种是零幅的。这两种状态哪一种是更加严苛，其实现在不得而知，有做一些相关的研究和验证。下面是零伏的状态之下，漏电没有明显的变化。是否说明负压的时候条件更加的严苛，这个不一定。
不同的器件状态不一样，同样有两种的耦合。高温就是主要区分阈值的电压的迟滞和老化的现象，直流引起了漂移是包括两个部分。一个部分是快速的可恢复的增量，另外一部分是永久不可恢复的增量。我们做可靠性评估实际上提取是这个不可恢复的增量，这部分才是真正的退化。我们在做这个碳化硅高温反馈，也是采用热处理的方法测试，保证我们的高温实验的准确性。后面进的这些动态的实验的话，是相比于增加的项目是，是里面没有的项目。
碳化硅器件的开关速度更快，频率更高，导致效率会更加的突出。而硅器件应用场景跟碳化硅器件应用不一样没有考核。这种状态会对内部结构快速充放电导致加速老化，对于碳化硅器件来说是新增的项目。做稳碳的老化的时候很难发现终端的问题，动态的可以看到他的问题就开始凸显出来了。
对于动态来说用开关次数进行，动态的高温高湿的更加吻合，同时应用又是动态的。无论是实施来说，还是整个流程来讲都是非常非常复杂的。所以在这个动态实验方面，也是需要去特殊的考虑的。
最后就是双极退化的实验，这个其实碳化硅退化是双极运行的时候电子负荷会释放能量，导致缺陷蔓延。最后会导致增大，这个实验看起来是比较简单，施加脉冲电流就可以了，但是实际上会有自热这样无法区分是热效应，还是双极区划导致的失效。所以说是需要在做双极退化的实验过程当中，同时去监测他的节温的。
最后跟大家做一个小结，因为碳化硅器件的材料，工艺跟硅器件有区别，验证标准体系在国内外没有完全的建立。其实我们是可以争取一些更多的一些国际话语权，实际使用当中会面临一些更高的强度，更高的工作电压开关速度，这些都会影响他的可靠性。跟动态相关的这些可靠性的验证是需要我们重点关注。
国内对于车规像比亚迪等等这些，都有碳化硅器件的产品生产，已经在上车用了。但是实际上他的评估体系，都还没有建立的情况之下，我们怎么样放心去用这个器件。所以说可靠性机制的标准建立，急需要建立的。但是可以依据作为基础但是不能简单的去翻译他，好的我今天的分享就到这里，感谢大家！
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2023年12月5日-6日，由中国汽车工业协会和中国电子科技集团有限公司共同主办的“2023全球汽车芯片创新大会暨第二届中国汽车芯片高峰论坛”在无锡滨湖举办。本届芯片大会以“共享中国机遇•共谋创新发展•共赢产业未来”为主题，设置了“1场高层峰会、1场主旨论坛、4场主题论坛”共6场会议。其中，在12月6日下午举办的“主题论坛四：汽车芯片标准化发展”上，工业和信息化部电子第五研究所研究员、国家重点实验室总师陈媛发表精彩演讲。
以下内容为现场演讲实录：
很高兴和大家分享这个主题，跟大家介绍一下因为本人是做国家重点实验室做第三代半导体功率器件可靠性的研究工作的。同时因为我们所是作为权威第三方机构，平时也会有一些合规芯片的验证业务会找到我。在这个过程当中发现，其实器件的标准是非常确实的。下面就具体跟大家分享一下包括四个部分，首先看一下我们从普通的燃油汽车向新能源汽车转型过程当中，其实我们功率半导体的增长，增量量是最大的。我们根据统计数据来看纯电动汽车是燃油汽车的功率半导体成本是5倍左右，占了半导体总价值55%。
SIC MOSFFT由于有一系列的优点，比如说击穿电压高，电流能力强，功率损耗低，热稳定性好等等。使得他在新能源汽车当中具有非常大的应用优势，但是决定一种器件是否大规模的推广应用，除了性能上面的优势，其实耐用性，可靠性，成本都是综合性的因素。前段时间特斯拉事件会比较熟悉了，其实他的召回主要是因为使用的ST的SIC MOSFFT问题导致的。SIC MOSFFT器件因为材料和器件跟普通的器件还是有非常大的区别，所以对于可靠性测试验证过程当中，其实会有非常多的一些区别。
我们看一下首先是他的缺陷的密度是更高的导致了漂移会更加的研究，测试过程当中会出现很多的不稳定的现象。还有就是说他的衬底会存在比较多的缺陷，外延也会存在比较多的缺陷。导致存在像传统没有的效果，比如说双级退化，这些都是SIC MOSFFT器件所特有一些现象。我们如何对他进行考核性评估，这些都是需要我们的思考的。
下面跟大家分享一下，对于SIC MOSFFT器件的可靠性测试验证的标准。这是一些国际标准，其实对于SIC MOSFFT考核性测试验证国际上面也是在构建当中的状态。像IEC成立了半导体的工作组，本人也是在IEC的工作组里面从事相关的工作。IEC这两个标准偏置温度不稳定的测试方法还有实验方法，吴所也是牵头进行相应的国标转化。但是一致认为我们对于国外标准的转化，其实不能说是紧紧翻译国外的标准，因为我们国内的器件相比于国外的器件是有特殊性，而且有一些平归的现状跟国外也是不同的。
所以我们在转化国际标准过程当中，其实是需要更多的一些去思考的技术层面上东西。但是我们可以看一下基本上是一些指南，指南意思就是说给你一个标准，但是并没有规定你的需要是什么，怎么样是合格的，需要做多少的小时的实验，我这个产品是可以用的。所以说整个现在的思想，只是给出大概的指导思想。
关于车规这一块儿很熟悉，对于器件级一般都是依据101做可靠性的考核。我们可以看一下这里面标注了一下，他的五各群组，测试里面，其实有很多的内容都是跟SIC MOSFFT器件不一样的。这里面这些详细的不同后面会跟大家一一分享，324在2021版的时候已经重点关注了SIC MOSFFT器件，也提出了我的哪些项目跟SIC MOSFFT器件不一样的，哪些项目是对于SIC MOSFFT器件增加的。但是他有一个问题给出了这项试验，比如说做动态，但是没有一些具体的操作流程和方法。另外就是说对于某一些，还是在国际上和国内都是有争议的，特别是动态的实验方法。但是指标的来源是什么，我们不得而知。
下面就是给大家具体看一下，SIC MOSFFT考核测试验证到底有哪些不同的地方。首先就是说阈值电压的测试这个都是半导体这些人比较头疼的问题，至于测试怎么样测不准每次测不一样。因为界面缺陷密度导致的，阈值电压漂移非常的严重。根据最新的要求来说，是给我们指导就是说，需要给他一个预处理脉冲。他的测试结果重复性，还有一致性会更高一些。吴所也是对这个方法做了一系列的验证，右边这边是功率循环的实验的结果。
下面我们没有处理的时候，可以看到他的变化是一个非常杂乱的无章的变化，变化幅度非常大。做完预处理以后，变化的趋势呈现单调的趋势了。所以我们现在的阈值电压的测试都是参考预处理的方法。我们可以看一下左边是传统的SIC MOSFFT器件的热组测试方法，如果采用这样的方法可以看一下，SIC MOSFFT器件会有的测试结果。我们看到他的降温曲线是呈现非单调下降的趋势的，我们在测试过程当中，我们车载的瞬间曲线必然是下降的。呈现这样一种非正常的趋势，说明他的测试结果肯定是错误的测试结果。
其实对于SIC MOSFFT器件应该是糖二级加热的方式，不会存在切换的过程，就避免了缺陷释放导致了参数测试不准确性。针对热组测试我们吴所已经发布了一个标准，是去年7月份发布的。如果大家有兴趣可以恰在看一下。功率循环的方法更加的复杂了，功率循环对于SIC MOSFFT器件来说，最大的跟SIC MOSFFT器件不同的地方。我们在测功率循环过程当中，是需要去监测节温，就是需要保证我们在完全关断的状态。
为什么注意这一点，给了七个不同的厂商的电压，其实差异性是非常非常大的。其实就是说我们做这个时候不能仅仅是根据我们的性能上面的我们使用的最小的进行测试，而是需要去测量关断电压。另外温度敏感性更高，那么这样问对性敏感性更高，会导致怎么样的结果。就是在线测试的数据，已经达到了需要判定的状态，实际上常温的数据根本没有太大的变化。这样会导致一个误判，第三个核心的要点就是说。他的阈值电压漂移，也会导致我们电组的增加。
这样的话我们其实循环主要是评估封装的可靠性的，阈值电压漂移导致的变化的话，实际上是芯片层面的退化。这样耦合了芯片和封装两个层面的时候，会导致我们判断会变得非常的复杂。针对以上的这三个问题，我们吴所也是牵头制定了标准，像中间说的做的SIC MOSFFT芯片比较多，比亚迪等等厂家，都有参与标准的制定。
高温实验相比于的要点不能关断，会存在两种方式，一种是零幅的。这两种状态哪一种是更加严苛，其实现在不得而知，有做一些相关的研究和验证。下面是零伏的状态之下，漏电没有明显的变化。是否说明负压的时候条件更加的严苛，这个不一定。
不同的器件状态不一样，同样有两种的耦合。高温就是主要区分阈值的电压的迟滞和老化的现象，直流引起了漂移是包括两个部分。一个部分是快速的可恢复的增量，另外一部分是永久不可恢复的增量。我们做可靠性评估实际上提取是这个不可恢复的增量，这部分才是真正的退化。我们在做这个碳化硅高温反馈，也是采用热处理的方法测试，保证我们的高温实验的准确性。后面进的这些动态的实验的话，是相比于增加的项目是，是里面没有的项目。
碳化硅器件的开关速度更快，频率更高，导致效率会更加的突出。而硅器件应用场景跟碳化硅器件应用不一样没有考核。这种状态会对内部结构快速充放电导致加速老化，对于碳化硅器件来说是新增的项目。做稳碳的老化的时候很难发现终端的问题，动态的可以看到他的问题就开始凸显出来了。
对于动态来说用开关次数进行，动态的高温高湿的更加吻合，同时应用又是动态的。无论是实施来说，还是整个流程来讲都是非常非常复杂的。所以在这个动态实验方面，也是需要去特殊的考虑的。
最后就是双极退化的实验，这个其实碳化硅退化是双极运行的时候电子负荷会释放能量，导致缺陷蔓延。最后会导致增大，这个实验看起来是比较简单，施加脉冲电流就可以了，但是实际上会有自热这样无法区分是热效应，还是双极区划导致的失效。所以说是需要在做双极退化的实验过程当中，同时去监测他的节温的。
最后跟大家做一个小结，因为碳化硅器件的材料，工艺跟硅器件有区别，验证标准体系在国内外没有完全的建立。其实我们是可以争取一些更多的一些国际话语权，实际使用当中会面临一些更高的强度，更高的工作电压开关速度，这些都会影响他的可靠性。跟动态相关的这些可靠性的验证是需要我们重点关注。
国内对于车规像比亚迪等等这些，都有碳化硅器件的产品生产，已经在上车用了。但是实际上他的评估体系，都还没有建立的情况之下，我们怎么样放心去用这个器件。所以说可靠性机制的标准建立，急需要建立的。但是可以依据作为基础但是不能简单的去翻译他，好的我今天的分享就到这里，感谢大家！
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