瞻芯电子 G2 650V SiC MOSFET 鲁棒性试验突破：推算寿命达数百年，远超车规 18 年标准--上海瞻芯电子科技股份有限公司

瞻芯电子G2 650V SiC MOSFET鲁棒性试验，探索产品寿命潜力

发布人：冬晓发布时间：2025/12/12 点击数：41

摘要：瞻芯电子（IVCT）基于经典的寿命模型，对大样本量的第二代（G2）650V SiC MOSFET 进行了鲁棒性验证试验（Robustness-Validation）。该试验严格遵循 AEC-Q101、ZVEI标准，开展了HTRB、HTGB+、HV-H3TRB 及 IOL 等关键项目测试，并引入了经典的 Arrhenius、Hallberg-Peck、Coffin-Manson及Eyring等可靠性物理模型进行数据分析。

本试验共对2156颗样本进行长达3500小时的极限应力测试，经数据统计分析结果表明：在典型应用条件下，器件预测寿命可达数百年，远超瞻芯电子对车规级产品加严设定的18年寿命标准，凸显了产品卓越的可靠性。

1. 引言与验证目标

碳化硅（SiC）功率器件在提升系统能源转换效率与功率密度方面优势显著，但其可靠性始终是高端应用的核心关切点。为定量评估并证实产品的长期可靠性，瞻芯电子启动了本次超越常规的鲁棒性试验。本项目旨在达成以下目标：

• 验证器件在最低18年工作寿命周期内的可靠性（严于AEC-Q101的15年标准）。

• 遵循 Test-to-failure宗旨，旨在探究产品的失效边界与内在失效机理。

• 建立关键参数的安全工作区（SOA），为设计提供有效的数据支持。

2. 试验方法与策划

2.1 可靠性模型与测试项目选择以及试验结果

试验基于AEC-Q101标准，选取HTRB、HTGB+、HV-H3TRB及IOL四项加速寿命测试项目，并采用Arrhenius、Eyring、Hallberg-Peck及Coffin-Manson等物理模型进行数据分析。所有样本（总计2156颗）均从在线量产的G2 650V SiC MOSFET产品中随机抽取，确保样本的代表性。测试结果汇总如下：

模型	测试项目	测试条件	测试数量	首次失效时间	批量 T₆₃ 失效时间
Arrhenius & Eyring	HTRB	175℃; V_S=V_G=0V; V_D=650V	6 Lots×77ea/Lot	2895 小时	3287 小时
Arrhenius & Eyring	HTGB+	175℃; V_S=V_D=0V; V_G=18V	6 Lots×77ea/Lot	2766 小时	3332 小时
Coffin-Manson	IOL	∆T≥100℃, 5min on/off	6 Lots×77ea/Lot	3500 小时未失效
Hallberg-Peck & Eyring	HV-H3TRB	85℃, 85%RH, V_D=520V	10 Lots×77ea/Lot	3479 小时	3500 小时无新增失效

3. 试验结果与深入分析

3.1 整体可靠性寿命分布：浴盆曲线

浴盆曲线是描述产品生命周期内故障率变化规律的曲线，分为早期故障期（磨合期）、随机故障期（稳定期）、磨损故障期（衰老期）三个阶段。在分析各组测试项目3500小时的失效数据后发现，样品经不同测试后的故障表现差异显著，表明各组样品分别处于不同生命周期阶段，在浴盆曲线上标注示意如下：

图 1 浴盆曲线-各项测试后样品处在不同寿命阶段

本次试验结果分析如下：

• HV-H3TRB：样品随机故障期超过3500小时，凸显了卓越的产品抗湿性。

• HTRB/HTGB+：样品在3000小时进入随机故障临界期，并于3000-3500小时步入磨损故障期。

• IOL：产品在3500小时远远未进入磨损故障期，证明了产品封装互连的极高可靠性。

综上所述，结合图示分析可知，IOL测试的可靠性表现最佳，HV-H3TRB表现次之，HTRB和HTGB+在浴盆曲线上进入耗损期较早，但在实际应用条件下仍表现优异，预测寿命远超设计标准。

3.2 HV-H3TRB 测试结果与分析

• 测试条件：T=85°C, RH=85%, V_DS=520V。

• 漏电流稳定性：在 3500 小时应力施加前后，器件漏电流（IDSS）增长不超过 1μA，且未触发任何失效判定依据，未发现系统性退化机制。

图 2 施加应力之前和之后的漏电流

图 3 施加应力之前和之后的漏电流倍数

上图2显示的是施加应力之前和之后，漏电流的增长不超过1uA。上图3显示的是施加应力之前和之后的漏电流倍数。漏电流的增长不超过每个节点设定的失效判定标准，甚至3500小时测试后漏电流增加未超过5倍。没有发现系统的EOL机制。

• 安全工作区（SOA）分析：下图等高线图定义了不同温湿度条件下的寿命边界。如图所示，基于Hallberg-Peck与Eyring模型推算，在典型条件（65°C, 75% RH，650V）下，推算寿命高达 869 年，远离红色区域所代表的 18 年安全界限。

图 4 HV-H3TRB SOA 分析

• 计算过程：

Hallberg-Peck模型和Eyring模型：^&

由试验获知，首次失效时间t=3479hrs，Tt=85°C，RHt=85%，Vstress=520V，ss=10 lots*77ea，则可以预测在Ea= 0.9ev、90%置信区间下，湿度加速率常数p=3、电压加速率常数β=1 时的MTTF和FIT。

在Tu= 85°C、RHu=85%、Vnormal=650V的测试试验条件下：

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的典型应用条件下：

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 测试结果与分析

• 测试条件：T=175°C, V_DS=650V。

• 3500 小时延长测试结果：首次失效时间 T_实际=2895 小时，HTRB 测试虽在浴盆曲线中较早进入耗损期，但在实际应用场景下，其推算寿命仍远超设计目标。批量失效时间T_63实际=3287小时 (T₆₃为特征寿命，表明63.2%的样本在该时间内失效），显著优于 2000 小时的目标。可靠性改进因子 RIF=4.59，证明设计裕量充足。

• 量化评估鲁棒性：采用可靠性改进因子（RIF）公式= [ln (批量失效TTF__实际) - ln (TTF__目标)] / 3σ，来计算实际值相对于目标值的提升幅度。若RIF<1达不到目标要求；若RIF=1则刚符合目标；若数值更高，表明鲁棒性更好。本测试可靠性改进因子RIF= 4.59，证明产品鲁棒性设计裕量充足。

图 5 HTRB β 和 RIF 计算

• weibull分布分析：常用于描述器件寿命分布的统计模型，通过形状参数β 可判断失效类型（早期失效、随机失效、磨损失效）。形状参数（斜率）β=1，表明初期失效属于随机失效。在剔除这些随机失效样本后，计算得到的形状参数β=26.85，远大于1，这表明剩余产品已进入稳定的本征耗损期。

图 6 浴盆曲线，failure类型和weibull斜率参数 β

• SOA 分析：基于Arrhenius与Eyring模型推算在典型应用条件（139°C, 470V）下，推算寿命达 447 年。

图 7 HTRB SOA 分析

• 计算过程：

Arrhenius模型和Eyring模型：^&

由试验获知，首次失效时间Tt=2895hrs，Vstress= 650V，ss=6 lots*77ea，则可以预测在 Ea=0.7eV、kB= 8.62E-05 eV/K、90%置信区间下、电压加速率常数β=1 时的MTTF和FIT。

• 在Tu=175℃，Vnormal=650V测试试验条件下：

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典型应用条件下：

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 + 与 IOL 测试结果

HTGB+：测试条件：T=175°C, VGS=18V。首次失效时间 Tfailure=2766 小时，批量失效时间T63failure=3332小时，明显优于 2000 小时的目标。可靠性改进因子 RIF=2.68，证明设计裕量充足。

• 在典型条件（142°C, 18V）下，寿命为 268 年。延长测试同样显示其失效模式由随机失效过渡至本征耗损。

图 8 HTGB+ SOA 分析

计算过程：

Arrhenius模型和Eyring模型：

由试验获知，首次失效时间Tt=2766hrs， Vstress= 18V，ss=6 lots*77ea，则可以预测在 Ea=0.7eV、kB= 8.62E-05 eV/K、90%置信区间下、电压加速率常数β=1 时的MTTF和FIT。

在Tu=175℃，Vnormal=18V测试试验条件下：

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典型应用条件下：

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：测试条件：△Tj=100°C,5min on/off。此次试验3500h未出现一例失效，远远超于 2000 小时的目标。在典型条件（△Tt=56°C）下，寿命为342年，展现了优异的抗热疲劳性能。

图 9 IOL SOA 分析

• 计算过程：

Coffin Manson模型：

由试验得知，3500hrs测试未失效, △Tt>100℃，ss=3 lots*77ea，则可以预测在IOL加速率常数m=2.5, 90%置信区间下的MTTF和FIT。

在△Tj>100℃测试试验条件下：

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℃典型应用条件下：

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. 综合结论

本次鲁棒性验证基于大规模样本与长周期测试，提供了令人信服的数据结论：

1. 寿命远超目标：在所有关键可靠性测试中，瞻芯电子G2 650V SiC MOSFET 在典型应用条件下的推算寿命均数倍于 18 年的安全目标，普遍达到数百年量级。

2. 卓越的湿度可靠性：即使在最严苛的 HV-H3TRB（双85）条件下，器件也未出现明显的性能退化，证明了产品的成熟与稳定。

3. 高置信度统计：基于2156颗芯片样本的大规模测试，未发现系统性或共性的寿命终止机制（EOL）。产品失效模式符合预期，具备极强的可靠性边际。

综上所述，瞻芯电子 G2 650V SiC MOSFET 通过了极为严苛的可靠性验证，其卓越的鲁棒性验证数据为电动汽车、工业控制等要求零失效的高端应用提供了坚实的技术保障。

参考资料：

[1] JESD85_Methods for Calculating Failure Rates in Units of FITs

[2] AEC_Q101_Rev_E_Base_Document-2021 Discrete

[3] ZVEI_Handbook for Robustness Validation of Automotive Electrical / Electronic Modules, June 2013

[4] ZVEI_How to measure lifetime for Robustness Validation-step by step , November 2012 / Revision 1.9

[5] ZVEI_Handbook for Robustness Validation of Semiconductor Devices in Automotive Applications, May 2015[6] IEC_61649_Weibull analysis, 2008-08