与硅(Si)器件相比，宽禁带(WBG)功率器件，例如碳化硅(SIC)器件，在理解可靠性失效模式、加速因子、认证标准和建模方面仍处于学习阶段。最近，在将器件或模块置于高湿高温环境下的关键可靠性测试方面取得了许多进展。在本文中，我们将概述这些测试和结果，重点介绍其中的一些关键因素。

高湿高温可靠性测试

AEC-Q101标准主要用于汽车应用中硅功率器件的认证。高湿高温环境条件对器件的封装、钝化层、边缘终端和金属化层尤其具有挑战性。众所周知，腐蚀和氧化机制会产生电化学应力，从而导致器件漏电流增加和/或击穿电压降低。硅器件中使用的一些关键测试包括：

· 高压、高温、高湿反偏测试(H3TRB)： 例如，测试条件可以是：温度 = 85 °C，相对湿度 = 85%，栅源电压 Vgs = 0 V，漏源电压 Vds = 100 V，持续时间 t = 1000 小时。

(其中 T 是环境温度，RH 是相对湿度，Vgs 和 Vds 是栅极和漏极电压，t 是测试持续时间)

· HV-H3TRB(高压H3TRB)： Vds 反偏电压增加到器件额定电压的 80%，例如对于 1200 V 器件施加 960 V。

· 高加速应力测试(HAST)： 测试条件可能是：T = 130°C，RH = 85%，t = 96 小时，可以是不加偏置或加偏置。

对于碳化硅功率器件，HV-H3TRB 现在被认为是一项关键的认证测试，因为它会在器件内部存在的高电场下对边缘终端和钝化层施加应力。通过这项测试，HAST 测试被认为对于检验功率器件的长期稳定性是不必要的，特别是因为它可能导致因电弧放电而过早失效。

汽车模块标准 AQG 324 在其 2025 年修订版中有一项关键更新，即增加了动态 H3TRB 测试，以更好地模拟实际运行条件。在此测试中，栅极在漏极偏压为额定电压 80% 的条件下进行开关切换，温度设定为 85 °C，相对湿度为 85%。例如，英飞凌科技对其额定电压为 1200 V 的 CoolSiC mosfet 进行了以下动态 H3TRB 可靠性测试。

· 动态 H3TRB： T = 85°C，RH = 85%，Vgs = +15 V / 0V，Vdc = 960 V，开关频率 fsw = 25 kHz，电压变化率 dV/dt = 70 V/ns，峰值电感电流 IL(峰值)= 16 A。

SiC H3TRB 可靠性中的加速因子

为了对 SiC 功率器件在 H3TRB 测试中的可靠性加速因子进行建模，已经开展了多项研究。Peck 模型将湿度因子作为幂律依赖关系，并将指数温度依赖关系纳入阿伦尼乌斯模型中。随后，其他人加入了电压依赖性。总加速因子的通用公式可以表示为：

AF₍ₐ/ref₎ = (RHₐ / RH_ref)ˣ × (Vₐ / V_ref)ʸ × exp[ (Eₐ/k) × (1/T_ref - 1/Tₐ) ]

其中 AF₍ₐ/ref₎ 是相对于正常工作条件 "ref"，在测试条件 "a" 下的加速因子。x 和 y 是 RH 和电压的经验指数;Eₐ 是激活能，k 是玻尔兹曼常数。

由 Yumie Kitajima、Kenji Hatori 等人的研究，可以比较硅 IGBT 和 SiC 功率器件之间的这些加速因子。这些结果总结于下面的图 1 中。

图1

寿命曲线可以由加速因子确定。在应用降额因子时，需要仔细考虑实际应用中的条件。例如，在绝对湿度恒定的条件下，即使是微小的温度升高(例如由于自热)，也会显著降低相对湿度，从而提高寿命。

硅器件在 H3TRB 测试期间，会遭受铝(Al)环终端腐蚀，并且随着表面电荷积累，其雪崩电压会下降。SiC 器件通常没有这种铝环，且受表面电荷的影响较小。在直流 H3TRB 测试下，SiC 分立器件和功率模块的性能普遍优于硅 IGBT。对采用类似封装的功率模块进行比较表明，在施加 65% 额定电压应力 2000 小时后，硅 IGBT 上典型的失效特征是漏电流升高和阻断电压降低。相比之下，SiC MOSFET 即使在 90% 的额定电压下也没有表现出任何明显的退化。

SiC H3TRB 失效示例及可靠性改进

Kohei Ebihara 等人进行了一项有趣的研究，探讨了边缘终端和钝化层设计对 3.3 kV SiC 肖特基势垒二极管(SBD)功率模块 HV-H3TRB 性能的影响。模块中常用的硅凝胶具有透湿性，因此与分立功率器件相比，芯片边缘需要更强的保护，因为分立器件组装中使用的环氧模塑料更具抵抗力和保护性。

作者研究了四种样品设计，如图 2 所示。P 型场限环(FLR)通常用于 SiC 器件的边缘终端。

图2

· 样品 A 有 30 个环，而样品 B、C 和 D 有 42 个环。对终端区域的最大 SiC 表面电场(E)进行了仿真，结果表明，在施加 2.97 kV 偏压时，增加的环使得电场强度降低了 33%。

· 样品 C 和 D 在二氧化硅(SiO₂)场氧化层和聚酰亚胺钝化层之间增加了氮化硅(SiN)保护层。

· 此外，在样品 D 中，聚酰亚胺的边缘向内缩进了 100 µm。

每种样品选取 5 个器件，在 95 °C、90% 相对湿度和 2.97 kV 偏压下进行测试。来自样品 A(钝化保护最少、电场强度最高)的首个失效单元在大约 645 小时的应力下因漏电流过高而失效，而样品 B 中较低的电场强度将失效时间延长至大约 2054 小时。

先前对样品 A 的研究表明，其失效机理是 p 型 FLR 区域中 SiC 的阳极氧化以及 Al 金属的腐蚀。高电场加速了这种氧化。样品 C 中出现的有趣失效被推测是由于水分在聚酰亚胺/SiN 界面积聚而引起的微泄漏。该边缘充当阳极，导致化学电化学腐蚀，而铝焊盘边缘充当阴极。样品 C 失效点附近横截面的扫描离子显微镜(SIM)图像显示铝腐蚀，当腐蚀到达肖特基界面时，可能导致大的漏电流。

通过内缩聚酰亚胺，使其边缘位于平坦的 SiN 表面上，从而防止了这种微泄漏。采用这种方法的样品 D 表现出最佳性能，在 6000 小时的应力测试中未检测到失效。这凸显了增加 SiN 层的改进效果，当该层与其相邻层正确放置时，可以起到良好的防潮屏障作用。

这项研究突出了 HV-HTRB 测试在设计和工艺改进中的应用。动态 HTRB 测试和其他使器件暴露于冷凝环境的交流湿度测试也揭示了在直流 H3TRB 测试中未见的失效模式。其中一些失效是 SiC 技术所独有的，因此表明需要不断改进和增加可靠性测试，以使这些功率器件更加 robust。