В двух новых публикациях JEDEC описываются испытания на устойчивость к короткому замыканию и ускоренные протоколы испытаний на напряжение для квалификации устройств питания на основе SiC.
Все более широкое использование силовых устройств из карбида кремния (SiC) в мощных устройств требует обновления существующих методик тестирования, основанных на использовании кремния, как это определено в стандартах JESD24-9 и IEC 60747.
Недавно Объединенный совет по разработке электронных устройств (JEDEC), организация, занимающаяся разработкой открытых стандартов для электронной промышленности, опубликовал две новые статьи (JEP203 и JEP204), в которых содержится справочная информация по тестированию устройств на основе SiC:
- JEP203: Рассмотрено правило для оценки короткого замыкания.
- JEP204: Представлен каталог процедур тестирования для устройств на основе SiC.
В совокупности эти документы представляют собой строгую специализированную систему тестирования.
Рекомендации по оценке короткого замыкания
В системах с высокой мощностью, таких как тяговые преобразователи и промышленные электроприводы, силовые устройства подвергаются кратковременному короткому замыканию. В этом случае силовое устройство подвергается воздействию высокого напряжения и тока до тех пор, пока схема защиты не обнаружит аномалию.
Одно из требований, предъявляемых к JEP203, заключается в том, что напряжение стока-источника в конце короткого замыкания (VDS(end)) должно превышать 90% от номинального напряжения питания стока (VDD).
Стандарт JEP203 определяет три различных типа коротких замыканий, которые связаны с различными условиями эксплуатации и топологией системы. Каждый тип моделирует определенное взаимодействие между устройством на базе SiC, управляющей схемой и паразитными элементами внешней сети нагрузки.
Короткое замыкание типа 1
Это событие, также известное как неисправность жесткого переключателя, возникает, когда устройство питания на базе SiC включается при наличии уже существующего короткого замыкания на клеммах нагрузки. В этом тесте напряжение питания постоянного тока уже подается на устройство до подачи управляющего сигнала.
Ток стока (ID) достигает максимального значения при коротком замыкании (Imax), когда напряжение затвор-исток (VGS) превышает пороговое значение. Устройство подвергается воздействию высокого напряжения и пикового тока одновременно. Следовательно, рассеиваемая мощность устройства очень высока, и температура перехода (TJ) немедленно повышается.
Это нагревает внутреннюю кристаллическую решетку и снижает подвижность носителей заряда. Это приводит к уменьшению тока стока по сравнению с его пиковым значением в течение длительности импульса. Эти условия высокого напряжения в JEP203 определяют конкретные показатели для оценки времени выдержки короткого замыкания (tSC).
Это время может быть определено либо по форме сигнала напряжения на затворе (tSC (VGS)), который представляет собой интервал времени от 50% точки повышения напряжения на затворе до 50% точки снижения напряжения на затворе во время выключения, либо по форме сигнала тока стока (tSC(ID)), который это продолжительность от первого повышения тока до тех пор, пока фронт спада затухающего тока снова не упадет до 10% от Imax (рис. 1).
На рис. 2 показаны реальные сигналы, полученные с помощью устройства питания на базе SiC напряжением 1200 В.
Тип короткого замыкания 2A
В этом случае тестируемый источник питания полупроводникового МОП-транзистора уже включен и проводит ток. Затем внешний переключатель создает сбой в режиме полной нагрузки. Этот внезапный сбой приводит к тому, что устройство переходит в режим насыщения высоким напряжением, и напряжение на стоке-источнике быстро повышается до напряжения питания постоянного тока.
Внутренний паразитный ток смещения устройства вызывает пиковое перенапряжение напряжения затвор-исток (VGS(max)), заставляя канал пропускать еще более высокие токи насыщения.
Время выдерживания короткого замыкания при неисправности типа 2A измеряется по форме сигнала тока стока (tSC(ID)) с момента, когда значение VDS становится равным 20% от номинального напряжения питания VDD, до момента, когда фронт падения ненасыщенного тока стока достигает 10% от Imax после отключения затвора (JEP203).
Стандарт также предлагает альтернативный подход, основанный на измерении tSC(VGS). Этот период времени начинается, когда внешний выключатель, приводящий в действие короткое замыкание, достигает половины своего полного «включенного» напряжения (VGS(on)), а тестируемый модуль достигает половины своего «включенного» напряжения.
Короткое замыкание типа 2B
Это вариант предыдущего типа, при котором неисправность возникает в сети с индуктивной нагрузкой. В этом случае тестируемый SiC-модуль включается в сеть нагрузки, где остаточный индуктивный импеданс (ZL) создает непрерывный скачок тока короткого замыкания. Таким образом, ток стока (ID) увеличивается с квазилинейным наклоном, определяемым формулой:
Ток увеличивается до тех пор, пока устройство не выйдет из области линейной проводимости и не перейдет в состояние насыщения. Это условие приводит к потенциально опасному пику перенапряжения в VGS(max). В JEP203 сопротивление внешней нагрузки ZL должно быть тщательно подобрано, чтобы время нарастания тока (tON(ID)) было строго меньше 5 мкс.
DESAT
Защита по напряжению насыщения (DESAT) – популярный метод защиты, используемый для защиты устройств питания на базе SiC от коротких замыканий. Он определяет VDS косвенно, и когда значение VDS превышает заданный порог, схема управления автоматически отключает его.
Схема DESAT показана на рис. 3. Компаратор определяет VDS. Когда устройство пересекает Vth,DESAT, устройство выключается после короткой задержки, введенной CBLK.
Процедуры снятия напряжения с SiC
Для оценки надежности устройства в долгосрочной перспективе необходимы определенные ускоренные тесты на старение. Чтобы соответствовать этому требованию, JEP204 представляет каталог протоколов испытаний на надежность и прочность, разработанных специально с учетом уникальных свойств материалов SiC.
Регламент JEP204 не предусматривает обязательного проведения каждого из перечисленных тестов для квалификации испытуемого устройства. Скорее, он предоставляет матрицу выбора, в которой, в зависимости от конкретного применения, указаны процедуры тестирования, связанные с механизмами физического разрушения и показателями частоты отказов в начале эксплуатации.
Температура и напряжение смещения
Первая категория в рамках стандарта JEP204 относится к процедурам определения температуры и напряжения смещения для оценки стабильности внутренних конструкций, соединений и изоляционных слоев в условиях постоянных электрических полей и высоких температур.
Тестирование высокотемпературного смещения затвора подтверждает долговременную надежность оксида затвора за счет постоянного приложения максимального номинального статического напряжения на затворе при максимальной номинальной температуре перехода (TJ(max)) устройства при сохранении VDS = 0 В. Это напряжение воздействует на дрейф порогового напряжения (VGS(th)) и ранний пробой оксидного диэлектрика затвора.
Тест на температурную нестабильность смещения определяется на основе процедур измерений, приведенных в JEP204. На границе раздела кристаллической решетки SiC и аморфного оксида SiO2 плотность ловушек и дефектов намного выше, чем в обычных кремниевых устройствах. Эти ловушки могут улавливать и высвобождать электроны или дырки под действием смещения и температуры, что приводит к большим сдвигам VGS(th) и нестабильности во время работы.
Испытания на напряжение переключения затвора и динамическое напряжение затвора позволяют оценить конструкцию затвора в динамических условиях эксплуатации. В частности, нестабильность переключения затвора оценивается с точки зрения непрерывного изменения напряжения затвор-исток между максимальными номинальными положительными и отрицательными значениями, указанными в спецификации, на высоких частотах при статическом напряжении сток-исток, равном VDS = 0 В. Эта процедура позволяет определить такие параметры, как снижение сопротивления во включенном состоянии и смещение порога.
Напротив, высокотемпературный тест на обратное смещение в основном фокусируется на главном блокирующем соединении устройства. Он тестирует устройство в экстремальных условиях блокировки в выключенном состоянии, обычно подавая от 80% до 100% максимального номинального пробивного напряжения на клеммы стока и источника, в то время как устройство работает на TJ(max). Этот метод ускоряет выход из строя из-за загрязнения подвижными ионами, ухудшения пассивации поверхности и разрушения структуры оконечностей кромок.
Наконец, высокотемпературный тест прямого смещения используется для оценки биполярной деградации, которая является одним из основных факторов, влияющих на частоту отказов в кристаллической решетке SiC в начале эксплуатации. Встроенный диод выделяет энергию, когда через устройство непрерывно протекает ток. Эта энергия приводит к тому, что небольшие структурные дефекты в кристалле SiC перерастают в более крупные дефекты, которые препятствуют протеканию тока, что приводит к увеличению сопротивления включению и токов утечки.
Факторы, влияющие на окружающую среду и прочность
Вторая категория JEP204 – это воздействие окружающей среды и экстремальные факторы, влияющие на прочность. Сюда входят некоторые методы оценки влажности, такие как ускоренный стресс-тест (HAST), температурно-влажностный тест (THB) и объективный HAST (UHAST). Эти испытания проводятся в климатических камерах, имитирующих экстремальные условия окружающей среды, например, при стандартных 85°C/85% относительной влажности или в условиях повышенного давления при температуре 130°C/85% относительной влажности.
Эти нагрузки предназначены для выявления производственных дефектов, таких как гальваническая коррозия внутренних соединительных проводов или слоев металлизации, миграция ионов по поверхности стружки или проникновение влаги через пластиковый материал корпуса.
Статические испытания на влажность завершаются, но руководство по динамическим испытаниям все еще находится в стадии разработки и оценки. С этой целью JEDEC активно изучает влияние комбинированного высокочастотного переключения и высокой влажности.
Силовые устройства на базе SiC также должны выдерживать естественное излучение из атмосферы. Тест на однократное выгорание (SEB) исследует воздействие рассеянных нейтронов космических лучей, случайно попадающих на материалы устройства в этих условиях.
Когда происходят такие сбои, возникает небольшой, но очень концентрированный электрический разряд. Когда устройство используется при высоком напряжении, этот разряд вызывает внезапный и сильный выброс электроэнергии («перегорание»), который выделяет достаточно тепла, чтобы расплавить или испарить данную часть устройства.
Электрическая устойчивость к переходным процессам перенапряжения проверяется с помощью тестирования индуктивной коммутации без зажима (UIS). Этот тест выполняется путем внезапного отключения устройства при протекающем через него сильном индуктивном токе. При этой операции не допускается использование защитных (т.е. зажимных) цепей, поэтому устройство должно поглощать всю магнитную энергию, накопленную в катушке индуктивности, и преобразовывать ее в тепло. Этот процесс требует очень высоких температур внутри устройства, намного превышающих максимальную температуру, на которую оно рассчитано при нормальной эксплуатации.
Протоколы приемки после нагрузки
Последней стадией любого обычного процесса тестирования является проверка того, как устройство «выдерживает» нагрузку. Устройства проходят тщательные электрические измерения в контролируемой лабораторной среде до и после стресс-тестов в соответствии со стандартами JEP203 и JEP204.
Это позволяет инженерам отличать обычный небольшой износ от реальных физических повреждений. Чтобы пройти тестирование, необходимо доказать, что устройство по-прежнему работает должным образом. Если электрические характеристики устройства настолько не соответствуют заявленным производителем, что оно больше не проходит испытания, оно официально считается неисправным.
Перед испытанием необходимо проверить некоторые электрические параметры и сравнить их с их значениями, чтобы определить, выдерживает ли устройство короткое замыкание или выходит из строя из-за повышенного уровня надежности.
