瞻芯电子G2 650V SiC MOSFET的鲁棒性验证试验

摘要：瞻芯电子(IVCT)基于经典寿命模型，对大样本量的第二代(G2)650V SiC MOSFET 进行了鲁棒性验证试验(Robustness-Validation)。该试验严格遵循AEC-Q101、ZVEI标准，开展了HTRB、HTGB+、HV-H3TRB 及 IOL 等关键项目测试，并引入了经典的 Arrhenius、Hallberg-Peck、Coffin-Manson及Eyring等可靠性物理模型进行数据分析。

本试验共对2156颗SiC MOSFET样本进行长达3500小时的极限应力测试，经数据分析结果表明：在典型应用条件下，器件预测寿命可达数百年，远超瞻芯电子对车规级产品加严设定的18年寿命标准，凸显了产品卓越的可靠性。

1. 引言与验证目标

碳化硅(SiC)功率器件在提升系统能源转换效率与功率密度方面优势显著，但其可靠性始终是高端应用的核心关切点。为定量评估并证实产品的长期可靠性，瞻芯电子启动了本次超越常规的鲁棒性试验。本项目旨在达成以下目标：

验证器件在最低18年工作寿命周期内的可靠性(严于AEC-Q101的15年标准)。

秉承Test-to-failure宗旨，探究产品的失效边界与本征失效机制。

建立关键参数的安全操作区(SOA)，为客户设计提供有效的数据支持。

2. 试验方法论与策划

2.1 可靠性模型与测试项目选择

试验基于AEC-Q101标准，选取HTRB、HTGB+、HV-H3TRB及IOL四项加速寿命测试项目，并采用Arrhenius、Eyring、Hallberg-Peck及Coffin-Manson等物理模型进行数据分析。所有2156颗样本均从在线量产的G2 650V SiC MOSFET产品中随机抽取，确保样本的代表性。测试结果汇总如下：

模型	测试项目	测试条件	测试数量	首次失效时间	批量T63  失效时间
Arrhenius & Eyring	HTRB	175℃; VS=VG=0V; VDS=650V	6 Lots ×77ea/Lot	2895 小时	3287 小时
Arrhenius & Eyring	HTGB+	175℃; VS=VD=0V; VGS=18V	6 Lots ×77ea/Lot	2766 小时	3332 小时
Coffin-Manson	IOL	∆T≥100℃, 5min on/off	6 Lots ×77ea/Lot	3500 小时未失效
Hallberg-Peck & Eyring	HV-H3TRB	85℃, 85%RH, VD=520V	10 Lots ×77ea/Lot	3479 小时	3500 小时 无新增失效

3. 试验结果与深入分析

3.1 整体可靠性寿命分布：浴盆曲线

浴盆曲线是描述产品生命周期内故障率变化规律的曲线，分为早期故障期(磨合期)、随机故障期(稳定期)、磨损故障期(衰老期)三个阶段。 在分析各组测试项目3500小时的失效数据后发现，样品经不同测试后的故障表现差异显著，表明各组样品分别处于不同生命周期阶段，在浴盆曲线上标注示意如下：

图1 浴盆曲线—各组测试样品处在不同寿命阶段

本次试验结果分析如下：

HV-H3TRB：样品随机故障期超过3500小时，凸显了产品卓越的抗湿性。

HTRB/HTGB+：样品在3000小时进入随机故障临界期，并于3000-3500小时步入磨损故障期。

IOL：样品在3500小时远远未进入磨损故障期，证明了产品封装互连的极高可靠性。

综上所述，结合图示分析可知，IOL测试的可靠性表现最佳，HV-H3TRB表现次之，HTRB和HTGB+在浴盆曲线上进入耗损期较早，但在实际应用条件下仍表现优异，预测寿命远超设计标准。

3.2 HV-H3TRB测试结果与分析

测试条件：T=85°C, RH=85%, VDS=520V。

漏电流稳定性：在2500小时应力施加前后，器件漏电流增长不超过1μA，且未触发任何失效判据，未发现系统性退化机制。

图2 施加应力之前和之后的漏电流

图3 施加应力之前和之后的漏电流倍数

上图2显示的是施加应力之前和之后，漏电流的增长不超过1uA。上图3显示的是施加应力之前和之后的漏电流倍数。漏电流的增长不超过每个节点设定的失效判定标准，甚至经过3500小时测试后漏电流增加未超过5倍。没有发现系统的EOL机制。

安全操作区(SOA)分析：下面的等高线图定义了不同温湿度条件下的产品寿命边界。如图所示，基于Hallberg-Peck与Eyring模型推算，在典型条件(65°C, 75% RH，650V)下，推算寿命高达 869 年，远离红色区域所代表的18 年安全界限。

图4 HV-H3TRB SOA分析

计算过程：

Hallberg-Peck模型和Eyring模型：

由试验获知,首次失效时间t=3479hrs, Tt=85°C, RHt=85%, Vstress=520V, ss=10 lots*77ea, 则可以预测在Ea= 0.9ev、90%置信区间下，湿度加速率常数p=3、 电压加速率常数β=1 时的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu= 85°C, RHu=85%, Vnormal=650V 的测试试验条件下：

AF= AFt*AFv =0.8

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=1074 FITS

MTTF=1/λ=1e9/1074=930721 hours=106 years

在Tu=65°C, RHu=75%, Vnormal=650V的典型应用条件下：

AF= AFt*AFv =6.54

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=131 FITS

MTTF=1/λ=1e9/131=7613547 hours=869 years

3.3 HTRB测试结果与分析

测试条件：T=175°C, VDS=650V。

3500小时延长测试：首次失效时间T实际=2895 小时，HTRB 测试虽在浴盆曲线中较早进入耗损期，但在实际应用场景下，其推算寿命仍远超设计目标。批量失效时间T63实际=3287小时 (T63为特征寿命，表明63.2%的样本在该时间内失效)，显著优于2000 小时的目标。可靠性改进因子 RIF=4.59，证明设计裕量充足 。

量化评估鲁棒性：采用鲁棒性指标(RIF)公式= [ln (TTF_实际) - ln (TTF_目标)] / 3σ，来计算实际值相对于目标值的提升幅度。若RIF<1达不到目标要求;若RIF=1则刚符合目标;若数值更高，表明鲁棒性更好。本测试可靠性改进因子RIF= 4.59，证明产品鲁棒性设计裕量充足。

图5 HTRB β 和RIF 计算

weibull分析：常用于描述器件寿命分布的统计模型，通过形状参数β 可判断失效类型(早期失效、随机失效、磨损失效)。形状参数(斜率)β=1，表明初期的失效属于随机失效。在剔除这些随机失效样本后，计算得到的形状参数β=26.85，远大于1，这表明剩余产品已进入稳定的本征耗损期。

图6 斜率参数 β ，失效类型和weibull斜率参数 β

SOA分析：基于Arrhenius与Eyring模型推算在典型应用条件(139°C, 470V)下，推算寿命达 447 年。

图7 HTRB SOA分析

计算过程：

Arrhenius模型和Eyring模型：

由试验获知，首次失效时间Tt=2895hrs, Vstress=650V, ss=6 lots*77ea，则可以预测在 Ea=0.7eV、kB= 8.62E-05 eV/K、90%置信区间下、电压加速率常数β=1 时的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu=175℃, Vnormal=650V 测试试验条件下：

AF=AFt*AFv=1

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=1722 FITS

MTBF=1/λ=1e9/1722=580865 hours=66 years

在Tu= 139°C, Vnormal=470V 典型应用条件下：

AF=AFt*AFv=6.74

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=255 FITS

MTBF=1/λ=1e9/255=3917122 hours=447 years

3.4 HTGB+与IOL测试结果

HTGB+：测试条件为T=175°C, VGS=18V。首次失效时间 Tfailure=2766 小时，批量失效时间T63failure=3332小时，明显优于2000 小时的目标。可靠性改进因子 RIF=2.68，证明设计裕量充足。

在典型条件(142°C, 18V)下，寿命为 268 年。延长测试同样显示其失效模式由随机失效过渡至本征耗损。

图8 HTGB+ SOA分析

计算过程：

Arrhenius模型和Eyring模型：

由试验获知，首次失效时间Tt=2766hrs, Vstress= 18V, ss=6 lots*77ea，则可以预测在 Ea=0.7eV、kB= 8.62E-05 eV/K、90%置信区间下、电压加速率常数β=1 时的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu=175℃, Vnormal=18V 测试试验条件下：

AF=AFt*AFv=1

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=1802 FITS

MTBF=1/λ=1e9/1802=554981 hours=63 years

在Tu=142℃, Vnormal=18V 典型应用条件下：

AF=AFt*AFv=4.23

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=426 FITS

MTBF=1/λ=1e9/426=2346691 hours=268 years

IOL：测试条件：∆Tj=100°C, 5min on/off。此次试验3500h未出现一例失效，远远超于 2000 小时的目标。在典型条件(∆Tt=56°C)下，寿命为342年，展现了优异的抗热疲劳性能。

图9 IOL SOA分析

Coffin Manson模型：

由试验得知，3500hrs测试未失效, △Tt>100℃，ss=3 lots*77ea，则可以预测在IOL加速率常数m=2.5, 90%置信区间下的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在△Tj>100℃测试试验条件下：

AF=1

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=1424 FITS

MTBF=1/λ=1e9/1424=702254 hours=80 years

在△Tu>56℃ 典型应用条件下：

AF=4.26

λ=(X2*(%CL,2f+2)*109)/(2*AF*t*ss)=334 FITS

MTBF=1/λ=1e9/1424=2992432 hours=342 years

4. 综合结论

本次鲁棒性试验基于大规模样本与长周期测试，提供了令人信服的数据结论：

1.寿命远超目标：在所有关键可靠性测试中，瞻芯电子G2 650V SiC MOSFET在典型应用条件下的推算寿命均数倍于18年的安全目标，普遍达到数百年。

2.卓越的湿度可靠性：即使在最严苛的HV-H3TRB(双85)条件下，器件也未出现明显的性能退化，验证了产品的成熟与稳定。

3.高置信度统计：基于2156颗芯片样本的大规模测试，未发现系统性或共性的寿命终止机制。产品失效模式符合预期，具备极高的可靠性边际。

综上所述，瞻芯电子G2 650V SiC MOSFET通过了极为严苛的可靠性验证，其卓越的鲁棒性试验数据为电动汽车、工业控制等要求零失效的高端应用提供了坚实的技术保障。

关于瞻芯电子

上海瞻芯电子科技股份有限公司(简称“瞻芯电子”)是一家聚焦于碳化硅(SiC)半导体领域的高科技芯片公司，2017年成立于上海临港。公司致力于开发碳化硅功率器件和模块、驱动和控制芯片产品，并围绕碳化硅(SiC)应用，为客户提供一站式解决方案。

瞻芯电子是中国第一家自主开发并掌握6英寸碳化硅(SiC)MOSFET产品以及工艺平台的公司，拥有一座车规级碳化硅(SiC)晶圆厂，标志着瞻芯电子进入中国领先碳化硅(SiC)功率半导体IDM公司行列。

作为国家高新技术企业、国家专精特新“小巨人”企业和上海市企业技术中心，瞻芯电子将持续创新，放眼世界，致力于打造中国领先、国际一流的碳化硅(SiC)功率半导体和芯片解决方案提供商。