【Wolfspeed白皮书】专为持久耐用而设计，直面最严苛的环境：
旨在恶劣工作条件下实现更优系统耐久性的根本策略（附下载链接）
专为持久耐用而设计，直面最严苛的环境旨在恶劣工作条件下实现更优系统耐久性的根本策略
Guy Moxey，Wolfspeed 工业与能源副总裁兼总经理Don Gajewski，Wolfspeed 可靠性及失效分析高级总监
引言
可靠性是测量或方法的一致性。可靠性对我们行业的重要性再怎么强调也不为过。然而，一个必要的、可以带来可靠性阶跃式提升的概念讨论得较少：即我们 Wolfspeed 所强调的"耐久性"，或有些人所说的"稳固性"。诸如电动船舶和铁路牵引逆变器、商用及重型车辆、可再生能源发电厂以及脉冲电源系统等应用，正在不断挑战电力系统的运行极限。这些应用中对系统耐久性日益增长的需求，引发了一系列新的设计挑战和性能期望。
建筑和农业领域的原始设备制造商 (OEM) 正在推进电气化。尽管看似与汽车市场接近，但其电动化设计挑战和运行环境却侧重点不同。这些设备必须在极端工况下稳定工作：北半球收获季，它们得承受骤降至零下 40 °C 甚至更低的严寒；当春夏交替、工人重返田间时，他们必须确信——历经风雪洗礼的碳化硅 (SiC) 逆变器仍能“一键唤醒”，绝不掉链子。
与此同时，重型和农业领域的牵引驱动器比汽车行业的驱动器承受更重、持续时间更长的负载。例如，一台在田间耕作的拖拉机，在一个工作日内，常规情况下可能持续以其额定功率的 80% 运行。采矿作业中的工程机械设备通常在计划维护期间连续运行。在田间作业时，拖拉机速度通常较慢（低于 20 公里/小时），但发动机功率通常很高且持续，环境温度也可能很高。慢速移动的车辆无法快速脱离自身产生的热量聚集区，而适度的顺风可能阻碍其脱离该热量聚集区。
这两个例子是同一应用在两种极端运行条件下的情况。而这仅仅是冰山一角：电动船舶系统面临高湿度环境，工业加工厂要求系统在腐蚀性环境中连续运行，而每个高海拔应用都需应对宇宙辐射。电力电子行业必须认识到这些日益提高的终端系统性能期望，并主动应对。
本白皮书探讨了 Wolfspeed 如何战略性地投资于技术、流程和人才，以在产品生命周期的每个阶段创造出具备更高一级稳固性的碳化硅 (SiC) 产品。
可靠性浴盆曲线
在深入探讨耐久性之前，让我们先了解一些可靠性的基础知识。可靠性工程师使用浴盆曲线模型 (Bathtub Curve Model) 来表征和预测器件在整个运行寿命周期内的失效模式（图 1）。该统计表示将器件可靠性划分为三个不同的区域，每个区域受不同的失效机制支配，并需要特定的缓解策略。理解这些区域对于开发能够满足现代电气化系统严苛要求的稳健功率半导体器件至关重要。
图 1：可靠性浴盆曲线
区域 1 涵盖了因制造缺陷、材料杂质或工艺波动而未被初始筛发现的早期失效。此阶段严重依赖于全面的器件认证流程，包括加速应力测试、老化筛选程序和统计过程控制措施，旨在出厂前识别并剔除薄弱器件。
区域 2 代表了运行寿命期，其特征是由随机事件（如宇宙辐射引起的单粒子烧毁、电过应力条件或超出正常运行参数的环境因素）引起的恒定低失效率。对于功率半导体器件，该区域的失效率通过跨越数千至数百万器件小时的广泛现场数据收集，以及在国家实验室设施中进行的高辐射暴露下的高级测试来量化，从而能够进行准确的故障率 (FIT) 计算，这对系统级可靠性预测至关重要。
区域 3 涵盖了寿命终止期的损耗失效机制，其中电气和温度应力、热循环和功率循环、键合线疲劳以及其他退化过程累积的损伤导致失效率上升。此阶段主要依赖于失效物理模型、加速老化研究和平均无失效时间 (mean time to failure, MTTF) 计算，以预测特定运行条件下的器件寿命。
与传统的硅 (Si) 技术相比，现代碳化硅 (SiC) 功率器件面临着独特的可靠性挑战。碳化硅 (SiC) 的宽禁带特性在实现卓越的高温和高压性能的同时，也引入了特定的失效机制，如阈值电压不稳定性、栅氧可靠性问题、双极稳定性和宇宙射线敏感性，这些问题必须通过先进的器件设计和认证方法来解决。
实现早期器件失效最小化
由于碳化硅 (SiC) 具有更宽的禁带、更高的击穿电压、卓越的热导率和稳固的晶体结构，因此表现出优于硅的耐久性。这些固有特性使得碳化硅 (SiC) 器件能够在更高的温度、电压和频率下运行，同时在恶劣环境中保持可靠性。经过多年在宽禁带材料方面的深入研究，Wolfspeed 的创始团队深信将碳化硅 (SiC) 商业化至关重要，以便高功率系统能够受益于碳化硅 (SiC) 三倍宽的禁带和十倍高的介电击穿场强。Wolfspeed 于 2011 年推出了业界首款碳化硅 (SiC) MOSFET，并自此一直努力引领向碳化硅 (SiC) 的转型。
如今，Wolfspeed 是一家纯碳化硅 (SiC) 器件和材料制造商。垂直整合使 Wolfspeed 能够全面掌控材料和器件层面的创新，从而更好地控制质量、成本和创新速度。这种集成方法使得能够针对特定应用精确定制碳化硅 (SiC) 晶体质量，实现材料与器件研发团队之间更好的协同，并建立从器件制造工厂到材料制造工厂的持续快速反馈循环，以优化流程并最大化产品性能。
最新发布的 200mm 裸晶圆和外延片是质量持续改进的绝佳范例。与当前 150mm 碳化硅 (SiC) 晶圆相比，改进的 200mm 碳化硅 (SiC) 晶体生长工艺使得 200mm 晶圆具有更低的微管密度 (micropipe densities, MPDs)、螺位错 (threading screw dislocations, TSDs) 、基平面位错 (basal plane dislocations, BPDs) 和总蚀刻坑密度 (etch pit densities, EPDs)。改进的 200mm 设备能力带来的整体工艺改进已经实现了良好的晶圆形状、更低的残余应力和改善的表面参数。重要的是，从 200mm 晶圆获得的经验也正向反馈至 150mm 碳化硅 (SiC) 晶圆的持续改进。
关于 200mm 裸晶圆和外延片更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/materials/
从晶体生长到成品器件的全面端到端控制，转化为更好的性能、更快的产品推向市场时间以及对供应安全性的更好地掌控。
图 2：200mm 裸晶圆的交叉偏振图像
栅氧击穿
碳化硅 (SiC) MOSFET 具有严苛的可靠性要求：高阻断电压要求高电场可靠性，而高栅氧电场则需要高栅氧可靠性。高开关频率需要高阈值电压 (threshold voltage, VGS(th)) 稳定性，第三象限操作需要高体二极管性能，最后，高海拔应用还需要具备强抗中子辐射能力。碳化硅 (SiC) MOSFET 包含若干显著特性，当这些特性被优化时，可提供高质量和高可靠性。
碳化硅 (SiC) 器件的应力因素包括阻断电压、栅极电压、温度、湿度和辐射。相对于硅基器件，由于施加了更高的电场，碳化硅 (SiC) MOSFET 随着时间的推移可能会出现栅氧损耗和阈值电压升高的现象。图 3 显示了碳化硅器件中常见的失效机制。Wolfspeed 采用行业标准以及新颖的、定制化的可靠性测试来确保 MOSFET 的可靠运行。
例如，广泛的可靠性测试和寿命预测表明，Wolfspeed 的 MOSFET 在 175°C 下的栅氧中位寿命超过 10,000 年。
图 3：潜在的阻断电压失效机制：金属间电介质泄漏、边缘终端失效和栅氧击穿
考虑到这些常见的失效机制，Wolfspeed 利用成熟的行业标准测试，确保碳化硅 (SiC) 器件在发布前具有最高的质量和可靠性（表1）。这包括采用大样本量（从不同批次中抽样）进行的认证测试，以确保在高统计置信度下的低失效率。
Wolfspeed 借鉴了围绕硅 (Si) 技术建立的工业标准 (JEDEC) 和车规标准 (AEC-Q101)。AEC 标准要求更严格的器件验收标准，包括参数漂移；要满足这些标准需要进行严格的电气和光学筛选。包括 JEDEC、IEC、AEC 和 JEITA 在内的主要行业联盟都在积极制定针对碳化硅 (SiC) 的技术标准和客户需求。Wolfspeed 全面参与此过程，与各分委会和工作组合作，致力于碳化硅 (SiC) 可靠性和认证测试。
表 1：典型的汽车碳化硅 (SiC) 分立器件认证计划
诸如船舶逆变器和电机驱动器等应用需要在高温环境下生存，仅靠标准的 H3TRB 认证已无法满足要求。建议使用通过更严苛的 HV-H3TRB 认证的电子元件。HV-H3TRB 测试代表了对半导体功率器件最严格的可靠性认证测试之一，它同时使元件承受最大反向偏压、高湿度水平（通常为 85% RH）和高温（85°C 或更高）数百至数千小时。这种加速环境应力测试在压缩的时间范围内模拟了最严酷的真实世界运行条件，验证了器件在严苛条件应用（如汽车动力总成、工业电机驱动和户外电源系统）中遇到的电气、热和环境综合应力下的耐受能力。作为高湿度应用的关键要求，成功的 HV-H3TRB 测试（零失效且参数退化不超过规格）证明了半导体器件即使暴露在通常会加速失效机制（如腐蚀、电迁移和介电击穿）的极端条件下，也能在其整个设计寿命内保持可靠运行。Wolfspeed 提供 2 个系列经过 HV-H3TRB 认证的、采用行业标准封装的功率模块：62mm 封装的 1200V 和 1700V 半桥模块 (BM)，以及采用半桥、全桥、T型和六管集成配置的 1200V 和 2300V Wolfspeed WolfPACK™ 模块。
关于 62mm 封装的 1200V 和 1700V 半桥模块 (BM) 更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/62mm-power-module-family/
关于 1200V 和 2300V Wolfspeed WolfPACK™ 模块更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/
实现使用寿命最大化
已认证的碳化硅 (SiC) 器件中的随机失效机制主要归因于宇宙辐射引起的单粒子烧毁，这对于高海拔应用（如山区风电场或航空航天系统）尤为重要。虽然碳化硅 (SiC) 器件由于其更小的芯片尺寸和更低的中子相互作用面积，天生比硅 (Si) 器件具有更高的宇宙射线耐受性，而 Wolfspeed 在其第四代 (Gen 4) MOSFET 技术中更是有针对性专门解决了这一挑战。 YM4 系列代表了功率模块技术的重大进步，它在 1200V 六管集成碳化硅 (SiC) 模块配置中 (YM 平台) 利用了第四代 (Gen 4) MOSFET 技术。增强的器件结构和优化的栅氧设计提供了相比前几代高达 100 倍的失效率改进，有效抑制了宇宙辐射引起的失效。这一显著增强使系统设计人员能够将这些模块部署在安全关键型应用中，例如汽车动力总成、航空航天系统以及在高原或近空间环境中运行的工业设备，同时无需过度电压降额，实现了更高效的系统设计。此外，它们能够承受过载和过应力条件，Wolfspeed 筛选裸芯片组合认证可在 185°C 下连续运行，并在 200°C 下满足有限寿命运行认证。
关于 YM 平台更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/
图 4：1200V 第四代 (Gen 4) 器件比之前代产品，在宇宙射线抗扰度方面提升了 100 倍
除了宇宙射线耐受性之外，YM4 平台的第四代 (Gen 4) MOSFET 技术显著降低了开关过程中的 VDS 过冲，解决了历史上制约系统性能的一个关键瓶颈。电压过冲减小后，工程师能够在不影响可靠性或增加 FIT 率的情况下，使系统在更接近器件额定电压极限的条件下运行，从而有效扩大了可用工作范围。这一特性使得能够实现具有更高功率密度和更高效率的更激进的系统设计，因为设计工程师可以放心地提高开关频率和功率水平，而无需为容纳电压尖峰预留传统的大幅安全裕量。抗宇宙射线能力与过冲抑制的双重提升，从根本上改变了高性能功率转换系统的可靠性方程，使 OEM 能够在保持任务关键型应用所要求的严格可靠性的同时，实现以往无法达到的系统性能水平。
短路耐受时间，是电机驱动和牵引系统的关键参数，确保在故障发生时安全关断。基于第四代 (Gen 4) 技术的车规级裸芯片 EM4E120-025D100 可以耐受高达 2.3 微秒的短路能量，与现有的栅极驱动技术兼容，且不牺牲 RDS(on) 性能。这扩展了安全工作区，确保了稳健的性能，并使设计工程师能够减少半导体用量，在不影响安全性的前提下降低成本。
关于车规级裸芯片 EM4E120-025D100 更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-bare-die-mosfets/1200-v-automotive-qualified-bare-die-silicon-carbide-mosfets-gen-4/em4e120-025d10/
在高漏源电压条件下稳定的阈值电压特性对于保持碳化硅 (SiC) 功率器件可预测的开关行为和降低功率损耗至关重要。与传统的硅 (Si) MOSFET 由于漏致势垒降低 (drain-induced barrier lowering, DIBL) 效应而随着漏源电压增加表现出显著的阈值电压漂移不同，我们的 MOSFET 在其整个电压工作范围内保持一致的栅极控制。这种阈值电压稳定性确保了开关时序无论施加的漏源电压如何都保持可预测，从而能够精确控制对高频开关应用至关重要的开通和关断瞬态。
此外，稳定的阈值电压防止了在高电压阻断状态下不希望的器件被误触发，显著降低了漏电流，从而避免额外的功率损耗与热应力。这一特性在诸如汽车动力总成和可再生能源系统等应用中尤其有价值，这些应用中的器件必须可靠地阻断高电压，同时在不同负载条件和运行电压下保持低待机损耗和一致的开关性能。
抑制固有磨损失效
阻断电压和栅极电压长期磨损失效
通过对碳化硅 (SiC) 器件进行可靠性测试并运用各种寿命预测模型，可以揭示器件老化过程中的典型失效机理。Wolfspeed采用业内通用的本征磨损失效测试方法：在尽可能恶劣的条件下，将器件持续推至远高于其最大额定电压或电流的应力状态。在图 5 中，一个额定 1200V 的 Wolfspeed MOSFET 被加压至 1600V，并基于此应力获得了预测的运行小时数。
需要注意的是，额定 1200V 的硅 (Si) 器件通常在大约 1250V 时性能就开始急剧下降；然而碳化硅 (SiC) 器件通常在其电压额定值方面具有更大的裕量。通常，一个额定 1200V 的碳化硅 (SiC) MOSFET 工作在 700V 至 800V 的母线上——在这种情况下，理论上具有超过 3 亿小时的安全运行时间才会因阻断电压相关的失效机制而失效。完全相同的过程也适用于栅极电压，采用 TDDB （经时介电击穿）方法测试进行分析。
TDDB（经时介电击穿）法是评估功率器件平均失效时间 (MTTF) 的另一种手段。该方法将一批 MOSFET 置于加速偏压和高温环境中，持续施加恒定电场；统计各器件的失效时间后，用 Weibull 分布拟合失效数据，从而外推寿命。图 5 中，一颗标称栅压 15V 的器件被加压至 35V 以上，由此得出在额定栅压下失效概率为 5000 万小时。对于第三代 (Gen 3) 650V Wolfspeed MOSFET，在 15V 连续栅极偏压下的 MTTF 为 7000 万小时，显示出与 1200V 和 1700V MOSFET 几乎相同的栅极可靠性。
图 5：器件在不同漏极电压（左图）与栅极电压（右图）下预测的现场工作小时数。中间图形显示，雪崩击穿和栅氧磨损失效对应的漏极偏压区远高于 1200V 额定值。
功率循环是一种标准的可靠性测试，用于评估在模拟真实世界开关环境的条件下的半导体封装。这对于碳化硅 (SiC) 器件尤其关键，因为与传统的硅 (Si) 器件相比，碳化硅 (SiC) 器件在更高的功率密度和更高的温度下运行。
功率循环与封装可靠性
尽管人们投入大量精力确保碳化硅 (SiC) 裸芯片稳定工作，但功率/热循环能力与封装鲁棒性仍是决定硅 (Si) 和碳化硅 (SiC) 技术实际寿命的关键瓶颈。通常，功率封装是最薄弱环节，尤其在高温下失效更具本征性（如键合线、芯片粘接剥离）。第四代 (Gen 4) 碳化硅 (SiC) 功率模块系列代表了功率电子可靠性和热管理方面的重大进步。
YM4 六管集成碳化硅 (SiC) 模块展示了卓越的耐久性，在工作温度下提供的功率循环次数是竞品碳化硅解决方案的三倍（见图 6）。从而显著延长工业严苛应用中的使用寿命并降低维护需求。
关于 YM4 六管集成碳化硅模块更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/
TM4 1200V 车规级塑封模块通过创新的封装技术展示了卓越的热工程设计。通过实施铜带键合，结合银烧结封装，这些模块实现了高达 8% 的热性能改进，同时增强了功率循环能力。
关于 TM4 1200V 车规级塑封模块更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/tm_single_switch_power_module_family/
铜带键合技术消除了传统的键合线，降低了热阻并改善了芯片上的电流分布。这种先进封装技术的结合满足了汽车对热管理和长期可靠性的严苛要求。
Wolfspeed WolfPACK™ 系列则引入氮化铝 (AlN) 基板作为关键热管理创新。AlN 的导热系数远高于传统基板材料，可将热阻 RTH 降低 50%，直接带来功率密度提升和高温工况下的可靠性增益。凭借 AlN 的优异导热与机械强度，WolfPACK™ 模块在承受热循环应力的同时保持结温最优。
关于 Wolfspeed WolfPACK™ 系列更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/
图 6：YM4 寿命可靠性分析
上述先进封装再叠加第四代 (Gen 4) MOSFET 技术，使碳化硅 (SiC) 模块成为工业与汽车领域对高热性能、长寿命、强功率循环需求的最佳选择。
性能期望不断演进的另一个例子来自一家领先的电源制造商，该公司遇到了由人工智能 (AI) 快速部署和扩张驱动的重大基础设施挑战。计算需求的加速增长使得必须全面重新设计数据中心布局，包括战略性地重新安置不间断电源 (UPS) 系统以适应增加的服务器密度。这种基础设施优化带来了新的环境考虑因素，特别是关于在硫浓度较高区域放置组件。在设施重新配置期间可能暴露于含硫环境，促使了对在这些特定条件下组件可靠性的评估。此应用场景展示了环境认证测试的重要性，确保功率电子在现代数据中心设施内的各种安装环境中保持性能完整性。
1200V Wolfspeed WolfPACK™ 系列，包括诸如 CAB006A12GM3 等模块，已成功完成了在含有硫化氢的高硫环境中运行的严格认证测试。此认证证明了该系列模块能够承受可能降解电子元件并损害系统可靠性的腐蚀性硫化合物。WolfPACK™ 系列稳固的封装和材料工程提供了对硫诱导腐蚀的优异抵抗力，使这些模块成为具有挑战性的工业应用的理想选择，包括石油和天然气加工、地热发电以及化学制造设施。这种 H2S 认证扩展了在恶劣环境中的部署机会，在这些环境中，传统的功率电子会经历加速退化，从而确保了在富硫大气中长期可靠运行。
关于 CAB006A12GM3 模块更多详细信息，https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/cab006a12gm3/
Wolfspeed 的可靠性浴盆曲线计算器
为了生成碳化硅 (SiC) 器件使用寿命期和寿命终止期区域的预测，Wolfspeed 开发了一个浴盆曲线计算器，该计算器使用工况作为输入。浴盆曲线计算器本质上是基于诸如单粒子烧毁以及因栅极或阻断电压导致的栅氧损耗等失效机制的失效率贡献，对器件在现场随时间变化的失效率进行预测。图 7 显示了一个基于典型应用工况输入的失效率预测示例，该输入包含了在特定栅极电压、阻断电压、温度和海拔条件下的运行小时数汇总。借助此可靠性预测工具，Wolfspeed 可以为客户提供关于其目标应用条件下碳化硅 (SiC) 器件预期可靠性的宝贵信息。
图 7：Wolfspeed 碳化硅 (SiC) 浴盆曲线计算器
结论
从可靠性到稳固性的演变代表了 Wolfspeed 技术理念的根本转变，这是由新兴电气化应用的极端运行需求所驱动的。当工程设备承受北极的严冬、农业机械在具有挑战性的恶劣热环境中持续高功率运行、以及船舶系统面临持续潮湿暴露时，单单传统的可靠性指标已不足以保证系统性能。
Wolfspeed 在先进技术、严格认证流程和全面稳固性测试方面的战略投资，直面了这些不断升级的性能期望。通过开发能够承受从 -40°C到 185°C 持续运行和 200°C 有限运行的温度极限、持续高功率负载以及恶劣环境条件的碳化硅 (SiC) 解决方案，我们有效助力 OEM 能够完全放心地实现最严苛应用的电气化。
电气化重型设备、农业和船舶系统的电气化不仅仅是汽车电气化的延伸——它需要一种新的半导体稳固性范式。通过我们涵盖材料科学、器件设计和认证方法学的端到端方法，Wolfspeed 提供的碳化硅 (SiC) 功率器件不仅满足规格，更在“不容失效”的任务关键型应用中超越耐久性期望。
随着各行业继续将电气化的边界推向日益严峻的环境，可靠与稳固之间的区别成为了系统仅仅能够运行与系统能够持久耐用之间的分水岭。Wolfspeed 对耐久性的承诺确保了当操作人员在严冬过后重返田间时，或者当采矿设备面临连续运行周期时，他们基于碳化硅 (SiC) 的电源系统已准备好投入运行——季复一季，一班接一班。
下载原文英文版白皮书，敬请访问下方链接，或点击阅读原文，https://assets.wolfspeed.com/uploads/2025/11/Wolfspeed_Designed_to_Last_Even_in_the_Harshest_Environments.pdf
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