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解密：碳化硅长期工作在 175℃结温，会不会有问题？
来源: | 作者:杨工 | 发布时间: 2025-07-08 | 21 次浏览 | 分享到:
关于碳化硅器件长期工作在175°C结温下是否有问题，需要从材料特性、器件设计、可靠性机制和实际应用等多个层面进行深度解析：

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一、核心结论：
技术上可行，但存在挑战。 碳化硅本身具有在175°C甚至更高温度下工作的材料潜力，SiC器件的最高结温规格通常为175°C 或 200°C。这意味着在短期或间歇性工作在175°C是完全符合规格的。
长期可靠性是核心关注点， 持续工作在极限结温附近（如175°C）会显著加速器件的退化机制，缩短预期寿命，根据“10℃法则”，功率器件温度每升高 10℃，其寿命可能缩短 50% 以上，故障率大约增大 2 倍。反之，器件温度每降低 10℃，可靠性便会增加 1 倍。这意味着，结温的微小变化，都可能对碳化硅器件的性能和使用寿命产生巨大影响。能否接受长期工作在此温度，还主要依赖于：
1.1 具体器件的设计和工艺质量（尤其是栅氧可靠性、封装）。
1.2 应用工况（是否稳定、有无功率循环、开关频率等）。
1.3 系统对寿命的要求（消费级、工业级、汽车级、航天级要求差异巨大）。
1.4 散热设计的余量（能否确保结温峰值不超过175°C，平均温度更低）。
二、深度解析：

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2.1 碳化硅材料的先天优势：
宽禁带： SiC的禁带宽度（~3.3eV）远大于硅（~1.1eV）。这直接带来：
更高的本征载流子温度： SiC的本征载流子浓度在高温下上升得比硅慢得多。这意味着在175°C甚至200°C以上，SiC器件仍然能有效维持PN结的阻断能力，不会像硅器件那样因本征激发导致漏电流剧增和热失控。
更高的临界击穿电场： 允许器件设计得更薄、掺杂更高，有利于降低导通电阻，但也对材料质量和工艺提出更高要求。
更高的热导率： SiC的热导率（~3.7-4.9 W/cm·K）是硅（~1.5 W/cm·K）的2.5-3倍以上。这极大地改善了芯片内部的热扩散能力，使得芯片内部的热点温度梯度更小，有利于在高温下保持温度分布的均匀性，降低局部过热风险。
2.2 器件层面的可靠性挑战：
栅氧可靠性： 这是SiC MOSFET长期高温工作的最核心挑战。
时间相关介质击穿： 高温和高电场（尤其是SiC MOSFET的沟道迁移率相对较低，需要更高的栅氧电场来获得低导通电阻）会显著加速TDDB过程。栅氧层在175°C下长时间承受电场应力，其寿命会指数级下降。这是限制SiC MOSFET最高工作结温和使用寿命的最关键因素之一。
偏置温度不稳定性： 高温下，栅氧层与SiC界面处的电荷陷阱激活能降低，导致阈值电压漂移现象更加显著和快速。长期高温工作可能导致Vth发生不可接受的偏移，影响开关特性甚至导致误导通。
欧姆接触和金属化退化：
电迁移： 高温会加速源极、栅极金属互连（通常是铝或铜）中的原子迁移，导致电阻增加甚至开路。
接触电阻退化： 高温下金属与半导体（SiC）接触界面的化学反应或互扩散可能加剧，导致接触电阻增大，增加导通损耗。
体二极管退化： 对于MOSFET内置的体二极管，长期在高温下导通或反向恢复，也可能因双极退化效应（虽然比硅弱很多，但在极端条件下仍需考虑）或肖特基接触退化而劣化。
2.3 封装层面的可靠性挑战：
热机械应力： 芯片、Die Attach材料、基板、散热器之间材料的热膨胀系数差异在175°C的高温下被放大。长期高温工作或温度循环会加剧焊料疲劳、引线键合疲劳、分层等问题，导致热阻增大甚至开路/短路失效。这是制约高温可靠性的另一大瓶颈。
高温封装材料： 传统封装用的塑封料、普通焊料、有机衬底等通常无法长期承受175°C高温。需要使用耐高温材料（如高温焊料、陶瓷衬底、特殊塑封料或金属/陶瓷封装），这增加了成本和工艺复杂性。
引线键合： 高温下键合线（通常是铝线或铜线）的疲劳寿命会缩短。金线在高温下与铝焊盘之间的金属间化合物生长加速，可能导致失效。
2.4 应用工况的影响：
功率循环： 如果应用中存在频繁的开关和负载变化，导致结温在室温到175°C之间剧烈波动，会极大加速由热膨胀系数不匹配引起的封装失效（焊料疲劳、键合线脱落）。175°C的峰值结温加上大的ΔTj，对可靠性是严峻考验。
开关损耗： 高开关频率或高di/dt/dv/dt操作在高温下会产生更多开关损耗，进一步推高结温或要求更高效的散热。
静态工作点： 长期处于高导通电流或高阻断电压状态，会分别加剧金属化/接触退化和栅氧/结的退化。
2.5 厂商规格与寿命评估：
器件数据手册标明的最高结温Tjmax（如175°C）是绝对最大额定值，通常基于短期（如几分钟）的保证，不代表长期工作在此温度下是安全的或寿命可接受的。
对于长期可靠性，需要关注厂商提供的：
寿命曲线： 栅氧的寿命（如TDDB）通常表示为电场和温度的函数（通常遵循E-model或1/E-model）。175°C下的寿命会比125°C或150°C下短几个数量级。
功率循环能力曲线： 显示在特定ΔTj和平均结温Tjm下能承受的循环次数。175°C的Tjm会显著降低可承受的循环次数。
降额使用： 为了保证足够的寿命（如10万小时以上），高可靠性应用通常要求降额使用，即实际最高工作结温远低于Tjmax。例如，在汽车或航天应用中，即使器件标称Tjmax=175°C，设计时可能会限制在150°C或更低。

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明古微半导体作为爱仕特科技、乐山希尔等战略销售及合作伙伴，为客户提供优质功率器件产品及方案。

三、总结与建议：
3.1 不是禁区，但非理想工况： 175°C处于SiC器件能力的边缘。材料本身支持，但器件（尤其是栅氧）和封装的可靠性在长期高温下会显著下降。
3.2 长期工作需谨慎评估：
必须严格参考具体器件型号的详细可靠性数据和寿命模型。
确认应用是否需要器件持续工作在175°C，还是仅峰值达到此温度。
评估工况（稳定 vs. 功率循环）对可靠性的不同影响。
明确系统对寿命的要求（几千小时 vs. 10万小时+）。
3.3 散热设计至关重要： 必须保证在最恶劣工况下，结温峰值不超过175°C，并且平均结温尽可能低。良好的散热设计是长期可靠工作的基础。
3.4 优选高质量器件和先进封装： 选择在栅氧工艺、金属化系统和高温封装技术上有优势的供应商。关注采用更先进封装技术（如银烧结Die Attach、铜线键合/铜带键合、AMB/DBC陶瓷基板）的器件。
3.5 考虑降额： 对于要求高可靠性和长寿命（如>10年）的应用，强烈建议降额使用，例如将设计最高结温控制在150°C或更低（即使器件标称175°C）。这会大大延长器件寿命。
3.6 测试验证： 在关键应用中，进行高温老化测试和功率循环测试来验证具体器件在预期工况下的寿命。
四、精准测量：结温测试方法
要判断碳化硅器件在 175℃结温下工作是否可行，准确测量结温至关重要。但实际操作中，单管的结温测量并不容易，因为我们很难直接测量到结温，往往只能测量壳温。不过，聪明的工程师们找到了两种有效的计算方法：
4.1 K 系数计算法：不同温度下，二极管的压降会有所不同，利用这一特性，我们可以使用 K 系数来计算结温。但这种方法需要借助专业的测试热阻设备，通过精确测量和复杂计算，才能得出相对准确的结温数值。
4.2 热阻公式推算：根据热阻 = 温差 / 发热功率这个公式，我们可以进行推算。通常，器件的规格书中会标明热阻系数，而发热功率客户也能够确定。在这种情况下，只要准确测试单管散热片（芯片背部，非后装散热片）的温度，就能通过公式计算出结温。
对于碳化硅模块的结温测试，也有两种常用方法：
4.3 热电偶埋设法：在模块内部埋入热电偶，直接测量模块内部的温度变化，从而获取结温数据。这种方法能够较为准确地反映模块的实际工作温度，但需要在模块制造过程中进行特殊设计和安装。
4.4 黑模块热成像法：黑模块的外壳中含有炭黑成分，这显著提高了外壳表面的红外发射率，使得热成像技术能够更清晰、准确地捕捉到模块的温度分布情况，进而实现对结温的有效测量。

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总而言之，SiC器件在175°C结温下短期工作是可行的，符合其规格。但长期（如数年）持续工作在此温度下，会显著加速退化，缩短寿命。能否接受取决于器件本身的质量、封装水平、具体应用工况和对系统寿命的要求。在高可靠性应用中，通常需要降额设计或选择Tjmax更高的器件（如175°C规格）以提供足够的安全裕量（一般预留20%~30%），即135°C-145°C较合适。


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