摘要：瞻芯電子(IVCT)基于經典壽命模型，對大樣本量的第二代(G2)650V SiC MOSFET 進行了魯棒性驗證試驗(Robustness-Validation)。該試驗嚴格遵循AEC-Q101、ZVEI標準，開展了HTRB、HTGB+、HV-H3TRB 及 IOL 等關鍵項目測試，并引入了經典的 Arrhenius、Hallberg-Peck、Coffin-Manson及Eyring等可靠性物理模型進行數據分析。

本試驗共對2156顆SiC MOSFET樣本進行長達3500小時的極限應力測試，經數據分析結果表明：在典型應用條件下，器件預測壽命可達數百年，遠超瞻芯電子對車規級產品加嚴設定的18年壽命標準，凸顯了產品卓越的可靠性。

1. 引言與驗證目標

碳化硅(SiC)功率器件在提升系統能源轉換效率與功率密度方面優勢顯著，但其可靠性始終是高端應用的核心關切點。為定量評估并證實產品的長期可靠性，瞻芯電子啟動了本次超越常規的魯棒性試驗。本項目旨在達成以下目標：

驗證器件在最低18年工作壽命周期內的可靠性(嚴于AEC-Q101的15年標準)。

秉承Test-to-failure宗旨，探究產品的失效邊界與本征失效機制。

建立關鍵參數的安全操作區(SOA)，為客戶設計提供有效的數據支持。

2. 試驗方法論與策劃

2.1 可靠性模型與測試項目選擇

試驗基于AEC-Q101標準，選取HTRB、HTGB+、HV-H3TRB及IOL四項加速壽命測試項目，并采用Arrhenius、Eyring、Hallberg-Peck及Coffin-Manson等物理模型進行數據分析。所有2156顆樣本均從在線量產的G2 650V SiC MOSFET產品中隨機抽取，確保樣本的代表性。測試結果匯總如下：

3. 試驗結果與深入分析

3.1 整體可靠性壽命分布：浴盆曲線

浴盆曲線是描述產品生命周期內故障率變化規律的曲線，分為早期故障期(磨合期)、隨機故障期(穩定期)、磨損故障期(衰老期)三個階段。 在分析各組測試項目3500小時的失效數據后發現，樣品經不同測試后的故障表現差異顯著，表明各組樣品分別處于不同生命周期階段，在浴盆曲線上標注示意如下：

圖1 浴盆曲線—各組測試樣品處在不同壽命階段

本次試驗結果分析如下：

HV-H3TRB：樣品隨機故障期超過3500小時，凸顯了產品卓越的抗濕性。

HTRB/HTGB+：樣品在3000小時進入隨機故障臨界期，并于3000-3500小時步入磨損故障期。

IOL：樣品在3500小時遠遠未進入磨損故障期，證明了產品封裝互連的極高可靠性。

綜上所述，結合圖示分析可知，IOL測試的可靠性表現最佳，HV-H3TRB表現次之，HTRB和HTGB+在浴盆曲線上進入耗損期較早，但在實際應用條件下仍表現優異，預測壽命遠超設計標準。

3.2 HV-H3TRB測試結果與分析

測試條件：T=85°C, RH=85%, VDS=520V。

漏電流穩定性：在2500小時應力施加前后，器件漏電流增長不超過1μA，且未觸發任何失效判據，未發現系統性退化機制。

圖2 施加應力之前和之后的漏電流

圖3 施加應力之前和之后的漏電流倍數

上圖2顯示的是施加應力之前和之后，漏電流的增長不超過1uA。上圖3顯示的是施加應力之前和之后的漏電流倍數。漏電流的增長不超過每個節點設定的失效判定標準，甚至經過3500小時測試后漏電流增加未超過5倍。沒有發現系統的EOL機制。

安全操作區(SOA)分析：下面的等高線圖定義了不同溫濕度條件下的產品壽命邊界。如圖所示，基于Hallberg-Peck與Eyring模型推算，在典型條件(65°C, 75% RH，650V)下，推算壽命高達 869 年，遠離紅色區域所代表的18 年安全界限。

圖4 HV-H3TRB SOA分析

計算過程：

Hallberg-Peck模型和Eyring模型：

由試驗獲知,首次失效時間t=3479hrs, Tt=85°C, RHt=85%, Vstress=520V, ss=10 lots*77ea, 則可以預測在Ea= 0.9ev、90%置信區間下，濕度加速率常數p=3、 電壓加速率常數β=1 時的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu= 85°C, RHu=85%, Vnormal=650V 的測試試驗條件下：

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的典型應用條件下：

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測試結果與分析

測試條件：T=175°C, VDS=650V。

3500小時延長測試：首次失效時間T實際=2895 小時，HTRB 測試雖在浴盆曲線中較早進入耗損期，但在實際應用場景下，其推算壽命仍遠超設計目標。批量失效時間T63實際=3287小時 (T63為特征壽命，表明63.2%的樣本在該時間內失效)，顯著優于2000 小時的目標?？煽啃愿倪M因子 RIF=4.59，證明設計裕量充足 。

量化評估魯棒性：采用魯棒性指標(RIF)公式= [ln (TTF_實際) - ln (TTF_目標)] / 3σ，來計算實際值相對于目標值的提升幅度。若RIF<1達不到目標要求;若RIF=1則剛符合目標;若數值更高，表明魯棒性更好。本測試可靠性改進因子RIF= 4.59，證明產品魯棒性設計裕量充足。

圖5 HTRB β 和RIF 計算

weibull分析：常用于描述器件壽命分布的統計模型，通過形狀參數β 可判斷失效類型(早期失效、隨機失效、磨損失效)。形狀參數(斜率)β=1，表明初期的失效屬于隨機失效。在剔除這些隨機失效樣本后，計算得到的形狀參數β=26.85，遠大于1，這表明剩余產品已進入穩定的本征耗損期。

圖6 斜率參數 β ，失效類型和weibull斜率參數 β

SOA分析：基于Arrhenius與Eyring模型推算在典型應用條件(139°C, 470V)下，推算壽命達 447 年。

圖7 HTRB SOA分析

計算過程：

Arrhenius模型和Eyring模型：

由試驗獲知，首次失效時間Tt=2895hrs, Vstress=650V, ss=6 lots*77ea，則可以預測在 Ea=0.7eV、kB= 8.62E-05 eV/K、90%置信區間下、電壓加速率常數β=1 時的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu=175℃, Vnormal=650V 測試試驗條件下：

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 典型應用條件下：

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+與IOL測試結果

HTGB+：測試條件為T=175°C, VGS=18V。首次失效時間 Tfailure=2766 小時，批量失效時間T63failure=3332小時，明顯優于2000 小時的目標?？煽啃愿倪M因子 RIF=2.68，證明設計裕量充足。

在典型條件(142°C, 18V)下，壽命為 268 年。延長測試同樣顯示其失效模式由隨機失效過渡至本征耗損。

圖8 HTGB+ SOA分析

計算過程：

Arrhenius模型和Eyring模型：

由試驗獲知，首次失效時間Tt=2766hrs, Vstress= 18V, ss=6 lots*77ea，則可以預測在 Ea=0.7eV、kB= 8.62E-05 eV/K、90%置信區間下、電壓加速率常數β=1 時的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在Tu=175℃, Vnormal=18V 測試試驗條件下：

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 典型應用條件下：

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：測試條件：?Tj=100°C, 5min on/off。此次試驗3500h未出現一例失效，遠遠超于 2000 小時的目標。在典型條件(?Tt=56°C)下，壽命為342年，展現了優異的抗熱疲勞性能。

圖9 IOL SOA分析

Coffin Manson模型：

由試驗得知，3500hrs測試未失效, △Tt>100℃，ss=3 lots*77ea，則可以預測在IOL加速率常數m=2.5, 90%置信區間下的MTTF (Mean Time To Failure) 和 FIT (Failure in time)。

在△Tj>100℃測試試驗條件下：

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℃ 典型應用條件下：

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. 綜合結論

本次魯棒性試驗基于大規模樣本與長周期測試，提供了令人信服的數據結論：

1.壽命遠超目標：在所有關鍵可靠性測試中，瞻芯電子G2 650V SiC MOSFET在典型應用條件下的推算壽命均數倍于18年的安全目標，普遍達到數百年。

2.卓越的濕度可靠性：即使在最嚴苛的HV-H3TRB(雙85)條件下，器件也未出現明顯的性能退化，驗證了產品的成熟與穩定。

3.高置信度統計：基于2156顆芯片樣本的大規模測試，未發現系統性或共性的壽命終止機制。產品失效模式符合預期，具備極高的可靠性邊際。

綜上所述，瞻芯電子G2 650V SiC MOSFET通過了極為嚴苛的可靠性驗證，其卓越的魯棒性試驗數據為電動汽車、工業控制等要求零失效的高端應用提供了堅實的技術保障。

關于瞻芯電子

上海瞻芯電子科技股份有限公司(簡稱“瞻芯電子”)是一家聚焦于碳化硅(SiC)半導體領域的高科技芯片公司，2017年成立于上海臨港。公司致力于開發碳化硅功率器件和模塊、驅動和控制芯片產品，并圍繞碳化硅(SiC)應用，為客戶提供一站式解決方案。

瞻芯電子是中國第一家自主開發并掌握6英寸碳化硅(SiC)MOSFET產品以及工藝平臺的公司，擁有一座車規級碳化硅(SiC)晶圓廠，標志著瞻芯電子進入中國領先碳化硅(SiC)功率半導體IDM公司行列。

作為國家高新技術企業、國家專精特新“小巨人”企業和上海市企業技術中心，瞻芯電子將持續創新，放眼世界，致力于打造中國領先、國際一流的碳化硅(SiC)功率半導體和芯片解決方案提供商。