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Die Herausforderung Lastwechselfestigkeit

Vor allem durch den hohen Elastizitätsmodul stellt SiC sehr viel höhere Anforderungen an die AVT. In der Anwendung treten Wechsellasten auf, unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Schichten sind gegeben. Auf die Grenzfläche übt SiC eine proportional dem Elastizitätsmodul höhere mechanische Spannung aus. Erste Tests an SiC-Schottky-Dioden ergaben eine um den Faktor 3 verringerte Lastwechselfestigkeit, wenn Standard-Technologien zum Einsatz kommen [2].

Lastwechseltests können auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Mit dem Standard LV 324 [3] haben die deutschen Autohersteller eine Methode vorgeschrieben. Es wird verlangt, bei einem Lastwechsel neben dem Spannungsabfall auch die Temperatur des Bauelements zu verfolgen, über den temperatur-sensitiven Parameter der Spannung am pn-Übergang, auszulesen bei kleinem Strom (V_CE(T)-Methode).

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Für Lastwechsel an MOSFETs lässt die LV 324 allerdings die Benutzung der inversen Diode zu. Angewandt auf SiC-MOSFETs führt das aber zu einem Problem. Die inverse Diode hat in ihren Leitverlusten einen negativen Temperaturkoeffizient. Im Vorwärtsbetrieb des MOSFET besteht aber ein positiver Temperaturkoeffizient: Mit zunehmender Temperatur steigen die Leitverluste. Damit werden Alterungsmechanismen beschleunigt, während sie bei Nutzung der inversen Diode gebremst werden. Daher brauchen wir für SiC-MOSFETs eine neue Vorschrift.

Diese wurde inzwischen erfolgreich angewandt. Bild 3 zeigt den Temperaturverlauf über einem auf einem gebondeten SiC-MOSFET, der verwendet wurde. Das Testergebnis zeigt Bild 4. Beim Test wurde die Temperatur über die V_CE(T)-Methode verfolgt [5]. Die Belastung des MOSFET erfolgte im ersten Quadranten, bei positiver Gate-Spannung. Zur Messung des V_CE(T) muss eine negative Gate-Spannung angelegt werden, denn in Rückwärtsrichtung geht ohne negative Gate-Spannung ein Teil des Stroms über den MOS-Kanal. Der Kanal ist zu schließen, um zuverlässig messen zu können. Diese Methode müsste Standard für den Test von SiC-MOSFETs werden.

Die Leistungsmodule wurden durch Silber-Sintern und mit 125-µm-Al-Bonddrähten hergestellt. Die Technologie zeigt nun eine sehr hohe Lastwechselfestigkeit: Mehr als 1,1 Millionen Zyklen bei einem Temperaturhub von 110 K werden erreicht. Das End-of-Life sieht man schließlich am Anstieg der Temperatur T_max. Dieser ist durch das Substrat verursacht, nicht durch bisher bekannte Rissbildung in Lotschichten. Die Silberschicht ist sehr stabil und auch die dünnen Bonddrähte zeigen noch keinerlei Anzeichen von einer Alterung.

Zum Vergleich: Für ein Standard-Modul mit 1200-V-IGBTs, gelötet und gebondet, werden unter diesen Bedingungen etwa 66.000 Lastwechsel erwartet. Die Verbesserung wäre um den Faktor 17! Mit neuen Technologien wie Silber-Sintern, Cu-Bonddrähte etc. kann man auch bei Si sehr hohe Lastwechselfestigkeit erreichen. Aber es ist gezeigt: Auch mit dem sehr viel steiferen SiC ist es möglich.

Hohe Zuverlässigkeit ist mit SiC-MOSFETs möglich

Mit solchen Ergebnissen kann man SiC auch für Anwendungen empfehlen, bei denen hohe Zuverlässigkeit notwendig ist. Das ist z.B. auch in der Elektromobilität erforderlich, wo sehr viele Lastwechsel im Betrieb auftreten werden. Allerdings zeigen die Ergebnisse auch: Hohe Zuverlässigkeit ist zwar möglich, aber es gibt sehr große Unterschiede von Hersteller zu Hersteller und von Technologie zu Technologie. Daher ist vor Entscheidung in einer Massenanwendung zu empfehlen, die Zuverlässigkeit des vorgesehenen Produkts sorgfältig zu testen.

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Literatur

[1] M. Beier-Möbius, J. Lutz: Breakdown of Gate Oxide of SiC-MOSFETs and Si-IGBTs Under High Temperature and High Gate Voltage, PCIM 2017.

[2] C. Herold, T. Poller, J. Lutz, M. Schäfer, F. Sauerland, O. Schilling: Power cycling capability of Modules with SiC-Diodes, Proceedings CIPS 2014, pp 36 – 41 (2014).

[3] LV324: Qualifikation von Leistungselektronikmodulen für den Einsatz in Komponenten von Kraftfahrzeugen Konzernnormen BMW:GS 95035, VW 82324 Group Standard, Daimler, 2014.

[4] C. Herold, J. Franke, R. Bhojani, A. Schleicher, J. Lutz: Requirements in power cycling for precise lifetime estimation Microelectronics Reliability 58 (2016) 82–89.

[5] R. Schmidt, R. Werner, J. Casady, B. Hull: Power Cycle Testing of Sintered SiC-MOSFETs, Proceedings PCIM 2017.

* Prof. Dr.-Ing. Josef Lutz (TU Chemnitz) ist beratendes Mitglied im Board of Directors der PCIM Europe.

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