国家标准计划《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）试验方法 第1部分：功率循环》由 TC78（全国半导体器件标准化技术委员会）归口 ，主管部门为工业和信息化部（电子）。

主要起草单位 工业和信息化部电子第五研究所 、江苏宏微科技股份有限公司 、国网智能电网研究院有限公司 、深圳市禾望电气股份有限公司 、佛山市国星光电股份有限公司 、中国电子科技集团公司第五十五研究所 、比亚迪半导体股份有限公司 、深圳基本半导体有限公司 、中国航天科技集团公司第八研究院第八〇八研究所 、南方电网科学研究院有限责任公司 、西安交通大学 、东莞南方半导体科技有限公司 、北京第三代半导体产业技术创新战略联盟 。

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)具有阻断电压高、工作频率高、耐高温能力强、通态电阻低和开关损耗小等特点，广泛应用于高频、高压功率系统中。

随着电力电子技术的不断发展，越来越多的领域如航天、航空、石油勘探、核能、通信等，迫切需要能够在髙温、高频等极端环境下工作的电子器件。

SiC器件的功率循环试验及可靠性评估，对于提升SiC MOSFET器件的可靠性评价与分析技术能力，支撑SiC MOSFET器件的可靠性改进具有重要意义。

由于SiO2/SiC界面缺陷的俘获/释放机制，目前IEC 60749-34《半导体器件 机械和气候试验方法 第34部分: 功率循环》、IEC 60747-8《半导体器件-分立器件-场效应晶体管》等标准仅适用于Si器件，传统的Si MOSFET的功率循环试验方法会由于SiC MOSFET器件的阈值电压VGS(th)漂移导致结温等监测参数出现偏差，从而影响功率循环试验的准确性，本文件给出了适用于SiC MOSFET器件的功率循环试验方法。

。

范围： 本文件规定了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法，评价器件在承受规定应力的条件下是否符合规定的循环次数。本方法是使器件重复承受通电升温和关断降温循环，以加速器件芯片与安装表面之间所有的键合和界面退化。 本文件适用于不带反向并联肖特基二极管的SiC MOSFET。 主要技术内容: 前言 引言 1 范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义 4 试验装置 5 试验程序 5.1 试验方法 5.2 试验电路 5.3 试验夹具及安装 5.4 试验条件 5.5 试验设置 5.6 试验控制和测量 5.7 试验注意事项 5.8 终点测量 6 试验数据处理 7 试验报告

国内外目前对功率循环试验方法要求的相关标准有： GJB 128A-97 “半导体分立器件试验方法” 方法1037 GB/T 4586 半导体器件 分立器件 第8部分:场效应晶体管 MIL-STD-750E “Test Method Standard Semiconductor Devices” 方法1037 JEDEC22-A122 “Power Cycling” IEC 60749-34 “Semiconductor devices - Mechanical and climatic test methods - Part 34: Power cycling” IEC 60749-34-1“Semiconductor devices - Mechanical and climatic test methods - Part 34-1: Power cycling test for power semiconductor module” IEC 60747-8 “Semiconductor devices - Discrete devices - Part 8: Field-effect transistors” IEC 60747-9 “Semiconductor devices - Part 9: Discrete devices - Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)” AEC-Q101 Stress Test Qualification for Discrete Semiconductors 以上标准都是针对Si器件的，均不适用于SiC器件。采用Si器件的方法进行SiC MOSFET器件的功率循环试验时会由于SiC MOSFET器件的阈值电压VGS(th)漂移导致结温等监测参数出现偏差，从而影响功率循环试验的准确性。

SiC MOSFET功率循环退化机制及多机理耦合寿命模型研究

碳中和的时代背景下，新能源汽车快速发展。在国家最新的《新能源汽车发展规划(2021-2035)》里，政府对新能源汽车有着非常明确的规划。新能源汽车销量预计于2025年达到20%以上，纯电动乘用车新车平均电耗需降至12.0千瓦时/百公里，而电机驱动和电力电子技术也被列为要深化研发布局的“三纵三横”技术之一。 传统燃油汽车向新能源汽车转型过程中，作为电子装置电能转换与电路控制的核心功率半导体器件的增长量是最大的。根据Strategy Analytics和英飞凌的统计数据，传统燃油汽车的功率半导体使用量约为21个，成本为71美元左右；纯电动汽车（BEV）的功率半导体成本则可达到350美元，是传统燃油汽车功率半导体成本的5倍左右。 SiC材料具有耐高压、耐高温、高效率、高频率、抗辐射等优异的物理和化学特性，能够极大地提升现有能源的转换效率。新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括三大部分：电机驱动器、车载充电器(OBC)/非车载充电桩和电源转换系统(车载DC/DC)，SiC功率器件凭借其独有的优势在其中发挥着重要的作用。在电机驱动领域，使用SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及开关频率，通过降低开关损耗和简化电路的热处理系统来降低成本、重量、大小及功率逆变器的复杂性。在车载充电器和非车载充电桩中使用SiC功率器件可提高电池充电器的工作频率，实现充电系统的高效化、小型化，并提升充电系统的可靠性。充电模块的工作环境具有高频、高压和高温的特点，与Si基器件相比，SiC器件的特性更适合这样的工作环境。在电源转换系统中使用SiC功率器件可缩小电路的尺寸，降低重量，缩减无源器件的成本，在满足冷却系统的需求的同时大大降低整个系统的重量和体积。在电动汽车中，引擎部分需要冷却系统保持其温度在105℃，而功率变换器部分则要求冷却系统使其温度在70℃左右。为了使两部分正常工作，必须采用两套冷却系统以满足不同的需求，这无疑大大增加了电动汽车冷却系统的体积。采用SiC功率器件可以将引擎冷却系统与功率变换器系统合二为一，大大减小功率变换器的体积。除了成本以外，目前限制SiC MOSFET在新能源汽车中大规模推广应用的主要障碍就是可靠性问题。因此，它的可靠性评价显得尤为重要。 SiC器件的功率循环试验及可靠性评估，对于提升SiC MOSFET器件的可靠性评价与分析技术能力，支撑SiC MOSFET器件的可靠性改进具有重要意义。由于SiO2/SiC界面缺陷的俘获/释放机制，目前IEC 60749-34《半导体器件 机械和气候试验方法 第34部分: 功率循环》、IEC 60747-8《半导体器件-分立器件-场效应晶体管》等标准仅适用于Si器件，采用标准方法进行SiC MOSFET器件的功率循环试验时会由于SiC MOSFET器件的阈值电压VGS(th)漂移导致结温等监测参数出现偏差，从而影响功率循环试验的准确性。 目前，IEC 60749-34、IEC 60747-8中所要求的功率循环试验方法对于SiC MOSFET器件存在两个问题： 1、在零栅极电压（Vgs = 0V）时，SiC器件的MOS沟道在反向偏置负载（VDS <0V）下尚未完全关闭。在这种情况下，感应电流Isense不仅会流过体二极管的pn结，而且会部分流经MOS通道，结果就会导致利用反向体二极管的结电压来计算结温出现误差。 2、由于SiO2/SiC界面存在的俘获载流子（trapped charge carriers），用上述方法测试SiC MOSFET时会由于阈值电压VGS(th)漂移导致监测参数出现偏差。 （1）结温出现偏差 测试的结温曲线出现非单调变化，本应该是单调上升的温度变化曲线因为电压的漂移导致出现了非单调变化，这是由于阈值电压VGS(th)漂移导致反向体二极管的结电压的漂移，从而导致监测到的结温出现误差。 （2）VDS出现偏差 VDS,warm初始降低，尽管减小的幅度很小，尤其是初始VDS,warm的1-2％左右，也可以清楚地看到减小。导通电压的降低导致DUT的功耗相应降低，这在SiC MOSFET的常规功率循环测试中应予以考虑。 这些都会影响SiC MOSFET功率循环试验的准确性，针对以上问题，T/CASAS 015制定了适用于SiC MOSFET的功率循环试验方法标准。北京国联万众、清纯半导体等企业按照该标准进行了产品的测试评估；忱芯科技、飞仕得等按照该标准进行了测试设备研发，并形成数千万元销售额，未来累计销售收入破亿元；工信部电子五所、广电计量等检测机构采信该标准并对十余家企业的数十款产品开展测试服务，并计划扩充产能及申请CNAS扩项，未来预计每年产生数百万元测试服务产值。

T/CASAS 015—2022《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》团体标准由工业和信息化部电子第五研究所牵头，联合江苏宏微科技股份有限公司、西安交通大学、比亚迪半导体有限公司等多家单位共同制定，于2022年7月18日正式发布并实施。该标准通过系统性、科学化地规范SiC MOSFET功率循环试验方法，为业内企业和研究机构提供了权威的技术指引，对促进SiC MOSFET技术的产业化应用和可靠性提升具有里程碑意义。 该标准通过统一试验方法，使不同厂商能够在同一基准下进行产品研发与测试，大大提升了行业内的技术交流效率与成果转化速度。随着标准在行业内的广泛采用，研发周期显著缩短，SiC MOSFET从实验室研发到工业化批量生产的周期得到有效控制，加速了技术创新的产业化进程。通过统一、公正、公开的试验标准，各厂商能够在同一起跑线上展开竞争，从而激发出更多原创技术和产品的涌现。 标准实施可广泛应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、白色家电的SiC MOSFET器件的可靠性提升及质量改进。通过开展功率循环试验评价，暴露其潜在的质量缺陷，掌握其可靠性状况，从而进一步改进产品质量，提升可靠性水平，具有良好的经济和社会效益。 目前，SiC MOSFET器件在汽车和工业应用中前景广阔。在汽车应用领域，一般包括牵引逆变器、AC/DC变换器、DC/DC变换器、电动助力转向的电力电子设备等，其使用条件和负载变化广泛，设计寿命要求大于15年。标准的实施为汽车级SiC MOSFET的可靠性评估提供了统一方法，将直接促进其在新能源汽车领域的普及与应用。 在工业应用领域，SiC MOSFET的需求同样迫切。工业电机是能耗大户，包括工业低压驱动器、伺服驱动器以及热泵和空调，合计占全球每年总电力消耗的45%以上。根据欧洲能效法规，自2023年7月1日起，规定的电机额定值将强制满足IE4能效等级。从IE3过渡到IE4，损耗减少21%，总效率提高到89.5%。这种转变需要重新设计系统，从硅基器件转向SiC可以使这一过程变得更容易，因此未来工业电机领域的SiC需求增速将高于其他领域。 此外，家用空调作为降低碳排放的关键领域，也对SiC MOSFET表现出强劲需求。国际能源署2021报告显示，家用电器是居民能源消耗的第二大来源，占住宅总能耗的20%以上。据彭博新能源研究显示，2018年全球住宅和商业空调用电量达1932万亿瓦时，中国则占34%。如果能效平均提升2%，则可节省400亿千瓦时电量，几乎接近半个三峡大坝的年发电量。各国政府正在修订新的能效法规，这将进一步推动SiC MOSFET在家电领域的应用。 更值得关注的是，传统飞机行业也在大力探索电动化"脱碳"，而VTOL等新型飞机行业正在蓬勃发展。相比传统的硅基逆变器，800V SiC逆变器可以打造更快、更高效和更轻的动力传动系统，从而提供更快的充电、更快的速度和更长的续航里程。电动飞机的电源转换器需要高功率密度，以减小滤波器尺寸，减少整体转换器的重量，提高能效。在这一新兴领域，T/CASAS 015—2022标准将为SiC MOSFET的可靠性评估提供统一方法，促进其在航空领域的应用。