三菱电机SiC MOSFET的可靠性测试

SiC和Si各自具有不同的物理特性和性能，因此在质量保证方面需要采取不同的策略。Si器件基于成熟技术实现稳定的品质，而SiC则需要更严格的品质控制和可靠性测试，以充分发挥其作为高性能器件的特性。

近年来，SiC（碳化硅）功率半导体因其在电力电子系统中实现高性能和高效率的潜力而受到了广泛关注。与Si相比，SiC的优点是单极性器件结构和优异的物理性能，功率模块的损耗可以大大降低。表1比较了Si和SiC的材料性能。由于SiC材料的宽带隙，它具有高击穿电场强度，且适用于高温工作。此外，它的导热系数比Si高，散热性能更好。

表1：Si材料与SiC材料的物理特性比较

如表1所示，虽然SiC在性能上优于Si，但它也存在Si所没有的晶体缺陷和栅氧化膜可靠性等问题。图1显示了SiC和Si各自的故障率随时间变化曲线（浴盆曲线）。由于SiC晶圆具有较多的晶体缺陷和较高的内部电场强度，因此，与Si相比，SiC在早期失效阶段的失效率不可避免地呈现较高的趋势。

图1：Si和SiC的故障率随时间变化曲线

为了确保SiC达到与Si同等的质量和可靠性水平，我们通过独特的老化（Burn-in）测试来提升其品质。该老化测试主要关注栅氧化膜的质量及SiC基板的质量。栅氧化膜引起的失效模式包括氧化膜形成异常导致的栅极漏电流异常，以及氧化膜界面载流子陷阱引起的栅极阈值电压（VGS(th)）波动等，因此确保栅氧化膜质量被认为是最重要的课题。本公司针对本课题，根据大量积累的数据，如栅氧化膜寿命的电压加速特性、故障和特性变化的检测技术等，以及高级概率统计分布计算结果，优化了老化测试条件，由此确保我司SiC功率半导体可达到令客户安心使用的品质标准。图2展示了实施老化测试后的Si与SiC故障率随时间变化的对比图。老化测试后，品质达到与Si相当的水平。因此，我司SiC功率器件已率先在全球范围内应用于对品质要求严苛的轨道交通车辆主变流器装置，并具有良好的市场表现。

图2：Si和SiC的故障率随时间变化曲线（加速老化试验后）

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<关于三菱电机>

三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截止2025年3月31日的财年，集团营收55217亿日元（约合美元368亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有69年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。