專為持久耐用而設計，直面最嚴苛的環境

旨在惡劣工作條件下實現更優系統耐久性的根本策略

Guy Moxey，Wolfspeed 工業與能源副總裁兼總經理

Don Gajewski，Wolfspeed 可靠性及失效分析高級總監

引言

可靠性是測量或方法的一致性。可靠性對我們行業的重要性再怎么強調也不為過。然而，一個必要的、可以帶來可靠性階躍式提升的概念討論得較少：即我們 Wolfspeed 所強調的"耐久性"，或有些人所說的"穩固性"。諸如電動船舶和鐵路牽引逆變器、商用及重型車輛、可再生能源發電廠以及脈沖電源系統等應用，正在不斷挑戰電力系統的運行極限。這些應用中對系統耐久性日益增長的需求，引發了一系列新的設計挑戰和性能期望。

建筑和農業領域的原始設備制造商 (OEM) 正在推進電氣化。盡管看似與汽車市場接近，但其電動化設計挑戰和運行環境卻側重點不同。這些設備必須在極端工況下穩定工作：北半球收獲季，它們得承受驟降至零下 40 °C 甚至更低的嚴寒；當春夏交替、工人重返田間時，他們必須確信——歷經風雪洗禮的碳化硅 (SiC) 逆變器仍能“一鍵喚醒”，絕不掉鏈子。

與此同時，重型和農業領域的牽引驅動器比汽車行業的驅動器承受更重、持續時間更長的負載。例如，一臺在田間耕作的拖拉機，在一個工作日內，常規情況下可能持續以其額定功率的 80% 運行。采礦作業中的工程機械設備通常在計劃維護期間連續運行。在田間作業時，拖拉機速度通常較慢（低于 20 公里/小時），但發動機功率通常很高且持續，環境溫度也可能很高。慢速移動的車輛無法快速脫離自身產生的熱量聚集區，而適度的順風可能阻礙其脫離該熱量聚集區。

這兩個例子是同一應用在兩種極端運行條件下的情況。而這僅僅是冰山一角：電動船舶系統面臨高濕度環境，工業加工廠要求系統在腐蝕性環境中連續運行，而每個高海拔應用都需應對宇宙輻射。電力電子行業必須認識到這些日益提高的終端系統性能期望，并主動應對。

本白皮書探討了 Wolfspeed 如何戰略性地投資于技術、流程和人才，以在產品生命周期的每個階段創造出具備更高一級穩固性的碳化硅 (SiC) 產品。

可靠性浴盆曲線

在深入探討耐久性之前，讓我們先了解一些可靠性的基礎知識。可靠性工程師使用浴盆曲線模型 (Bathtub Curve Model) 來表征和預測器件在整個運行壽命周期內的失效模式（圖 1）。該統計表示將器件可靠性劃分為三個不同的區域，每個區域受不同的失效機制支配，并需要特定的緩解策略。理解這些區域對于開發能夠滿足現代電氣化系統嚴苛要求的穩健功率半導體器件至關重要。

圖 1：可靠性浴盆曲線

區域 1 涵蓋了因制造缺陷、材料雜質或工藝波動而未被初始篩發現的早期失效。此階段嚴重依賴于全面的器件認證流程，包括加速應力測試、老化篩選程序和統計過程控制措施，旨在出廠前識別并剔除薄弱器件。

區域 2 代表了運行壽命期，其特征是由隨機事件（如宇宙輻射引起的單粒子燒毀、電過應力條件或超出正常運行參數的環境因素）引起的恒定低失效率。對于功率半導體器件，該區域的失效率通過跨越數千至數百萬器件小時的廣泛現場數據收集，以及在國家實驗室設施中進行的高輻射暴露下的高級測試來量化，從而能夠進行準確的故障率 (FIT) 計算，這對系統級可靠性預測至關重要。

區域 3 涵蓋了壽命終止期的損耗失效機制，其中電氣和溫度應力、熱循環和功率循環、鍵合線疲勞以及其他退化過程累積的損傷導致失效率上升。此階段主要依賴于失效物理模型、加速老化研究和平均無失效時間 (mean time to failure, MTTF) 計算，以預測特定運行條件下的器件壽命。

與傳統的硅 (Si) 技術相比，現代碳化硅 (SiC) 功率器件面臨著獨特的可靠性挑戰。碳化硅 (SiC) 的寬禁帶特性在實現卓越的高溫和高壓性能的同時，也引入了特定的失效機制，如閾值電壓不穩定性、柵氧可靠性問題、雙極穩定性和宇宙射線敏感性，這些問題必須通過先進的器件設計和認證方法來解決。

實現早期器件失效最小化

由于碳化硅 (SiC) 具有更寬的禁帶、更高的擊穿電壓、卓越的熱導率和穩固的晶體結構，因此表現出優于硅的耐久性。這些固有特性使得碳化硅 (SiC) 器件能夠在更高的溫度、電壓和頻率下運行，同時在惡劣環境中保持可靠性。經過多年在寬禁帶材料方面的深入研究，Wolfspeed 的創始團隊深信將碳化硅 (SiC) 商業化至關重要，以便高功率系統能夠受益于碳化硅 (SiC) 三倍寬的禁帶和十倍高的介電擊穿場強。Wolfspeed 于 2011 年推出了業界首款碳化硅 (SiC) MOSFET，并自此一直努力引領向碳化硅 (SiC) 的轉型。

如今，Wolfspeed 是一家純碳化硅 (SiC) 器件和材料制造商。垂直整合使 Wolfspeed 能夠全面掌控材料和器件層面的創新，從而更好地控制質量、成本和創新速度。這種集成方法使得能夠針對特定應用精確定制碳化硅 (SiC) 晶體質量，實現材料與器件研發團隊之間更好的協同，并建立從器件制造工廠到材料制造工廠的持續快速反饋循環，以優化流程并最大化產品性能。

最新發布的200mm 裸晶圓和外延片是質量持續改進的絕佳范例。與當前 150mm 碳化硅 (SiC) 晶圓相比，改進的 200mm 碳化硅 (SiC) 晶體生長工藝使得 200mm 晶圓具有更低的微管密度 (micropipe densities, MPDs)、螺位錯 (threading screw dislocations, TSDs) 、基平面位錯 (basal plane dislocations, BPDs) 和總蝕刻坑密度 (etch pit densities, EPDs)。改進的 200mm 設備能力帶來的整體工藝改進已經實現了良好的晶圓形狀、更低的殘余應力和改善的表面參數。重要的是，從 200mm 晶圓獲得的經驗也正向反饋至 150mm 碳化硅 (SiC) 晶圓的持續改進。

關于200mm 裸晶圓和外延片更多詳細信息，https://www.wolfspeed.com/products/materials/

從晶體生長到成品器件的全面端到端控制，轉化為更好的性能、更快的產品推向市場時間以及對供應安全性的更好地掌控。

圖 2：200mm 裸晶圓的交叉偏振圖像

柵氧擊穿

碳化硅 (SiC) MOSFET 具有嚴苛的可靠性要求：高阻斷電壓要求高電場可靠性，而高柵氧電場則需要高柵氧可靠性。高開關頻率需要高閾值電壓 (threshold voltage, VGS(th)) 穩定性，第三象限操作需要高體二極管性能，最后，高海拔應用還需要具備強抗中子輻射能力。碳化硅 (SiC) MOSFET 包含若干顯著特性，當這些特性被優化時，可提供高質量和高可靠性。

碳化硅 (SiC) 器件的應力因素包括阻斷電壓、柵極電壓、溫度、濕度和輻射。相對于硅基器件，由于施加了更高的電場，碳化硅 (SiC) MOSFET 隨著時間的推移可能會出現柵氧損耗和閾值電壓升高的現象。圖 3 顯示了碳化硅器件中常見的失效機制。Wolfspeed 采用行業標準以及新穎的、定制化的可靠性測試來確保 MOSFET 的可靠運行。

例如，廣泛的可靠性測試和壽命預測表明，Wolfspeed 的 MOSFET 在 175°C 下的柵氧中位壽命超過 10,000 年。

圖 3：潛在的阻斷電壓失效機制：

金屬間電介質泄漏、邊緣終端失效和柵氧擊穿

考慮到這些常見的失效機制，Wolfspeed 利用成熟的行業標準測試，確保碳化硅 (SiC) 器件在發布前具有最高的質量和可靠性（表1）。這包括采用大樣本量（從不同批次中抽樣）進行的認證測試，以確保在高統計置信度下的低失效率。

Wolfspeed 借鑒了圍繞硅 (Si) 技術建立的工業標準 (JEDEC) 和車規標準 (AEC-Q101)。AEC 標準要求更嚴格的器件驗收標準，包括參數漂移；要滿足這些標準需要進行嚴格的電氣和光學篩選。包括 JEDEC、IEC、AEC 和 JEITA 在內的主要行業聯盟都在積極制定針對碳化硅 (SiC) 的技術標準和客戶需求。Wolfspeed 全面參與此過程，與各分委會和工作組合作，致力于碳化硅 (SiC) 可靠性和認證測試。

表 1：典型的汽車碳化硅 (SiC) 分立器件認證計劃

諸如船舶逆變器和電機驅動器等應用需要在高溫環境下生存，僅靠標準的 H3TRB 認證已無法滿足要求。建議使用通過更嚴苛的 HV-H3TRB 認證的電子元件。HV-H3TRB 測試代表了對半導體功率器件最嚴格的可靠性認證測試之一，它同時使元件承受最大反向偏壓、高濕度水平（通常為 85% RH）和高溫（85°C 或更高）數百至數千小時。這種加速環境應力測試在壓縮的時間范圍內模擬了最嚴酷的真實世界運行條件，驗證了器件在嚴苛條件應用（如汽車動力總成、工業電機驅動和戶外電源系統）中遇到的電氣、熱和環境綜合應力下的耐受能力。作為高濕度應用的關鍵要求，成功的 HV-H3TRB 測試（零失效且參數退化不超過規格）證明了半導體器件即使暴露在通常會加速失效機制（如腐蝕、電遷移和介電擊穿）的極端條件下，也能在其整個設計壽命內保持可靠運行。Wolfspeed 提供 2 個系列經過 HV-H3TRB 認證的、采用行業標準封裝的功率模塊：62mm 封裝的 1200V 和 1700V 半橋模塊 (BM)，以及采用半橋、全橋、T型和六管集成配置的1200V 和 2300V Wolfspeed WolfPACK 模塊。

關于 62mm 封裝的 1200V 和 1700V 半橋模塊 (BM) 更多詳細信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/62mm-power-module-family/

關于 1200V 和 2300V Wolfspeed WolfPACK 模塊更多詳細信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/

實現使用壽命最大化

已認證的碳化硅 (SiC) 器件中的隨機失效機制主要歸因于宇宙輻射引起的單粒子燒毀，這對于高海拔應用（如山區風電場或航空航天系統）尤為重要。雖然碳化硅 (SiC) 器件由于其更小的芯片尺寸和更低的中子相互作用面積，天生比硅 (Si) 器件具有更高的宇宙射線耐受性，而 Wolfspeed 在其第四代 (Gen 4) MOSFET 技術中更是有針對性專門解決了這一挑戰。 YM4 系列代表了功率模塊技術的重大進步，它在 1200V 六管集成碳化硅 (SiC) 模塊配置中 (YM 平臺) 利用了第四代 (Gen 4) MOSFET 技術。增強的器件結構和優化的柵氧設計提供了相比前幾代高達 100 倍的失效率改進，有效抑制了宇宙輻射引起的失效。這一顯著增強使系統設計人員能夠將這些模塊部署在安全關鍵型應用中，例如汽車動力總成、航空航天系統以及在高原或近空間環境中運行的工業設備，同時無需過度電壓降額，實現了更高效的系統設計。此外，它們能夠承受過載和過應力條件，Wolfspeed 篩選裸芯片組合認證可在 185°C 下連續運行，并在 200°C 下滿足有限壽命運行認證。

關于 YM 平臺更多詳細信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/

圖 4：1200V 第四代 (Gen 4) 器件比之前代產品，

在宇宙射線抗擾度方面提升了 100 倍

除了宇宙射線耐受性之外，YM4 平臺的第四代 (Gen 4) MOSFET 技術顯著降低了開關過程中的 VDS過沖，解決了歷史上制約系統性能的一個關鍵瓶頸。電壓過沖減小后，工程師能夠在不影響可靠性或增加 FIT 率的情況下，使系統在更接近器件額定電壓極限的條件下運行，從而有效擴大了可用工作范圍。這一特性使得能夠實現具有更高功率密度和更高效率的更激進的系統設計，因為設計工程師可以放心地提高開關頻率和功率水平，而無需為容納電壓尖峰預留傳統的大幅安全裕量。抗宇宙射線能力與過沖抑制的雙重提升，從根本上改變了高性能功率轉換系統的可靠性方程，使 OEM 能夠在保持任務關鍵型應用所要求的嚴格可靠性的同時，實現以往無法達到的系統性能水平。

短路耐受時間，是電機驅動和牽引系統的關鍵參數，確保在故障發生時安全關斷。基于第四代 (Gen 4) 技術的車規級裸芯片 EM4E120-025D100可以耐受高達 2.3 微秒的短路能量，與現有的柵極驅動技術兼容，且不犧牲 RDS(on) 性能。這擴展了安全工作區，確保了穩健的性能，并使設計工程師能夠減少半導體用量，在不影響安全性的前提下降低成本。

關于車規級裸芯片 EM4E120-025D100 更多詳細信息，

https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-bare-die-mosfets/1200-v-automotive-qualified-bare-die-silicon-carbide-mosfets-gen-4/em4e120-025d10/

在高漏源電壓條件下穩定的閾值電壓特性對于保持碳化硅 (SiC) 功率器件可預測的開關行為和降低功率損耗至關重要。與傳統的硅 (Si) MOSFET 由于漏致勢壘降低 (drain-induced barrier lowering, DIBL) 效應而隨著漏源電壓增加表現出顯著的閾值電壓漂移不同，我們的 MOSFET 在其整個電壓工作范圍內保持一致的柵極控制。這種閾值電壓穩定性確保了開關時序無論施加的漏源電壓如何都保持可預測，從而能夠精確控制對高頻開關應用至關重要的開通和關斷瞬態。

此外，穩定的閾值電壓防止了在高電壓阻斷狀態下不希望的器件被誤觸發，顯著降低了漏電流，從而避免額外的功率損耗與熱應力。這一特性在諸如汽車動力總成和可再生能源系統等應用中尤其有價值，這些應用中的器件必須可靠地阻斷高電壓，同時在不同負載條件和運行電壓下保持低待機損耗和一致的開關性能。

抑制固有磨損失效

阻斷電壓和柵極電壓長期磨損失效

通過對碳化硅 (SiC) 器件進行可靠性測試并運用各種壽命預測模型，可以揭示器件老化過程中的典型失效機理。Wolfspeed采用業內通用的本征磨損失效測試方法：在盡可能惡劣的條件下，將器件持續推至遠高于其最大額定電壓或電流的應力狀態。在圖 5 中，一個額定 1200V 的 Wolfspeed MOSFET 被加壓至 1600V，并基于此應力獲得了預測的運行小時數。

需要注意的是，額定 1200V 的硅 (Si) 器件通常在大約 1250V 時性能就開始急劇下降；然而碳化硅 (SiC) 器件通常在其電壓額定值方面具有更大的裕量。通常，一個額定 1200V 的碳化硅 (SiC) MOSFET 工作在 700V 至 800V 的母線上——在這種情況下，理論上具有超過 3 億小時的安全運行時間才會因阻斷電壓相關的失效機制而失效。完全相同的過程也適用于柵極電壓，采用 TDDB （經時介電擊穿）方法測試進行分析。

TDDB（經時介電擊穿）法是評估功率器件平均失效時間 (MTTF) 的另一種手段。該方法將一批 MOSFET 置于加速偏壓和高溫環境中，持續施加恒定電場；統計各器件的失效時間后，用 Weibull 分布擬合失效數據，從而外推壽命。圖 5 中，一顆標稱柵壓 15V 的器件被加壓至 35V 以上，由此得出在額定柵壓下失效概率為 5000 萬小時。對于第三代 (Gen 3) 650V Wolfspeed MOSFET，在 15V 連續柵極偏壓下的 MTTF 為 7000 萬小時，顯示出與 1200V 和 1700V MOSFET 幾乎相同的柵極可靠性。

圖 5：器件在不同漏極電壓（左圖）與柵極電壓（右圖）下

預測的現場工作小時數。

中間圖形顯示，雪崩擊穿和柵氧磨損失效對應的

漏極偏壓區遠高于 1200V 額定值。

功率循環是一種標準的可靠性測試，用于評估在模擬真實世界開關環境的條件下的半導體封裝。這對于碳化硅 (SiC) 器件尤其關鍵，因為與傳統的硅 (Si) 器件相比，碳化硅 (SiC) 器件在更高的功率密度和更高的溫度下運行。

功率循環與封裝可靠性

盡管人們投入大量精力確保碳化硅 (SiC) 裸芯片穩定工作，但功率/熱循環能力與封裝魯棒性仍是決定硅 (Si) 和碳化硅 (SiC) 技術實際壽命的關鍵瓶頸。通常，功率封裝是最薄弱環節，尤其在高溫下失效更具本征性（如鍵合線、芯片粘接剝離）。第四代 (Gen 4) 碳化硅 (SiC) 功率模塊系列代表了功率電子可靠性和熱管理方面的重大進步。

YM4 六管集成碳化硅 (SiC) 模塊展示了卓越的耐久性，在工作溫度下提供的功率循環次數是競品碳化硅解決方案的三倍（見圖 6）。從而顯著延長工業嚴苛應用中的使用壽命并降低維護需求。

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TM4 1200V 車規級塑封模塊通過創新的封裝技術展示了卓越的熱工程設計。通過實施銅帶鍵合，結合銀燒結封裝，這些模塊實現了高達 8% 的熱性能改進，同時增強了功率循環能力。

關于 TM4 1200V 車規級塑封模塊更多詳細信息，

https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/tm_single_switch_power_module_family/

銅帶鍵合技術消除了傳統的鍵合線，降低了熱阻并改善了芯片上的電流分布。這種先進封裝技術的結合滿足了汽車對熱管理和長期可靠性的嚴苛要求。

Wolfspeed WolfPACK 系列則引入氮化鋁 (AlN) 基板作為關鍵熱管理創新。AlN 的導熱系數遠高于傳統基板材料，可將熱阻 RTH降低 50%，直接帶來功率密度提升和高溫工況下的可靠性增益。憑借 AlN 的優異導熱與機械強度，WolfPACK 模塊在承受熱循環應力的同時保持結溫最優。

關于 Wolfspeed WolfPACK 系列更多詳細信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/

圖 6：YM4 壽命可靠性分析

上述先進封裝再疊加第四代 (Gen 4) MOSFET 技術，使碳化硅 (SiC) 模塊成為工業與汽車領域對高熱性能、長壽命、強功率循環需求的最佳選擇。

性能期望不斷演進的另一個例子來自一家領先的電源制造商，該公司遇到了由人工智能 (AI) 快速部署和擴張驅動的重大基礎設施挑戰。計算需求的加速增長使得必須全面重新設計數據中心布局，包括戰略性地重新安置不間斷電源 (UPS) 系統以適應增加的服務器密度。這種基礎設施優化帶來了新的環境考慮因素，特別是關于在硫濃度較高區域放置組件。在設施重新配置期間可能暴露于含硫環境，促使了對在這些特定條件下組件可靠性的評估。此應用場景展示了環境認證測試的重要性，確保功率電子在現代數據中心設施內的各種安裝環境中保持性能完整性。

1200V Wolfspeed WolfPACK 系列，包括諸如CAB006A12GM3等模塊，已成功完成了在含有硫化氫的高硫環境中運行的嚴格認證測試。此認證證明了該系列模塊能夠承受可能降解電子元件并損害系統可靠性的腐蝕性硫化合物。WolfPACK 系列穩固的封裝和材料工程提供了對硫誘導腐蝕的優異抵抗力，使這些模塊成為具有挑戰性的工業應用的理想選擇，包括石油和天然氣加工、地熱發電以及化學制造設施。這種 H2S 認證擴展了在惡劣環境中的部署機會，在這些環境中，傳統的功率電子會經歷加速退化，從而確保了在富硫大氣中長期可靠運行。

關于 CAB006A12GM3 模塊更多詳細信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/cab006a12gm3/

Wolfspeed 的可靠性浴盆曲線計算器

為了生成碳化硅 (SiC) 器件使用壽命期和壽命終止期區域的預測，Wolfspeed 開發了一個浴盆曲線計算器，該計算器使用工況作為輸入。浴盆曲線計算器本質上是基于諸如單粒子燒毀以及因柵極或阻斷電壓導致的柵氧損耗等失效機制的失效率貢獻，對器件在現場隨時間變化的失效率進行預測。圖 7 顯示了一個基于典型應用工況輸入的失效率預測示例，該輸入包含了在特定柵極電壓、阻斷電壓、溫度和海拔條件下的運行小時數匯總。借助此可靠性預測工具，Wolfspeed 可以為客戶提供關于其目標應用條件下碳化硅 (SiC) 器件預期可靠性的寶貴信息。

圖 7：Wolfspeed 碳化硅 (SiC) 浴盆曲線計算器

結論

從可靠性到穩固性的演變代表了 Wolfspeed 技術理念的根本轉變，這是由新興電氣化應用的極端運行需求所驅動的。當工程設備承受北極的嚴冬、農業機械在具有挑戰性的惡劣熱環境中持續高功率運行、以及船舶系統面臨持續潮濕暴露時，單單傳統的可靠性指標已不足以保證系統性能。

Wolfspeed 在先進技術、嚴格認證流程和全面穩固性測試方面的戰略投資，直面了這些不斷升級的性能期望。通過開發能夠承受從 -40°C到 185°C 持續運行和 200°C 有限運行的溫度極限、持續高功率負載以及惡劣環境條件的碳化硅 (SiC) 解決方案，我們有效助力 OEM 能夠完全放心地實現最嚴苛應用的電氣化。

電氣化重型設備、農業和船舶系統的電氣化不僅僅是汽車電氣化的延伸——它需要一種新的半導體穩固性范式。通過我們涵蓋材料科學、器件設計和認證方法學的端到端方法，Wolfspeed 提供的碳化硅 (SiC) 功率器件不僅滿足規格，更在“不容失效”的任務關鍵型應用中超越耐久性期望。

隨著各行業繼續將電氣化的邊界推向日益嚴峻的環境，可靠與穩固之間的區別成為了系統僅僅能夠運行與系統能夠持久耐用之間的分水嶺。Wolfspeed 對耐久性的承諾確保了當操作人員在嚴冬過后重返田間時，或者當采礦設備面臨連續運行周期時，他們基于碳化硅 (SiC) 的電源系統已準備好投入運行——季復一季，一班接一班。

關于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼：WOLF）在全球范圍內推動碳化硅技術采用方面處于市場領先地位，這些碳化硅技術為全球最具顛覆性的創新成果提供了動力支持。作為碳化硅領域的引領者和全球最先進半導體技術的創新者，我們致力于為人人享有的美好世界賦能。Wolfspeed 通過面向各種應用的碳化硅材料、功率模塊、分立功率器件和功率裸芯片產品，助您實現夢想，成就非凡(The Power to Make It Real)。