中子通量引起的功率器件失效机理初步探讨

大家好，我是电源漫谈，本文主要讨论SiC MOSFET 和肖特基二极管由中子通量引起的超额故障率这个话题的一些基本概念。电力电子设备中由中子引起的故障是很多高可靠性应用中的关注点，基于设备的使用情况，预期寿命的减少是可以估计的，这个估计是在海平面和15,000 米（50,000 英尺）之间的高度最准确，而并不适用于航天应用。

中子诱发失效发生的过程从高能粒子进入地球空气开始，这些粒子大部分带电并且被地球磁场偏转，由于这个原因，因此中子引起的失效是依赖位置因素的。  

进入大气层的粒子有各种核碎片，质子、氦、更重的组合核离子、高能伽马射线等各种核相互作用，这个过程发生在进入大气层早期的过程。这个能量会扩散到其他气体原子，这个过程减少了个体互动的能量，但增加涉及的粒子数量，总之，对于整个系统而言，他们遵守能量和动量守恒。  

在大气层深处，最显着的反应产物是中子，中子的特点是它不带电，这允许它们穿透任何固体，而无需与其它原子相互作用。对应的是，带电粒子一定是受所谓的库仑势垒的影响的，而不带电的中子可以很容易穿透势垒，当中子穿透半导体时，内部晶体有时会与晶格核碰撞，将原子踢出  

晶格并使原子电离，自由粒子是由这种碰撞产生的，这些自由粒子电离仍固定在该原子上的其它原子。结果使沿着原子的路径产生空穴/电子对流。如果自由粒子达到电压阻断区，它们将加速向它们的末端原子，电子向正极，空穴向负极侧。当他们加速时，可以产生更多的空穴/电子对，使其影响倍增。通过这种加速形成雪崩效应，雪崩会产生热量并可能破坏设备。  

雪崩过程与电压有关，器件捕获中子的概率取决于器件的体积。以下五个因素影响中子诱发失效的概率，从最重要到最不重要：  

•与击穿相关的工作电压  

• 海拔高度   

• 器件体积，稍依赖于器件结构   

• 位置   

• 占空比因数，器件必须阻断电压以免发生故障  

以下简要讨论一下FIT率统计相关的基础知识。  

半导体行业FIT标准化（随时间的故障）率超过10^9 小时。例如，一个FIT 率为1 意味着平均10^9 设备运行时间，有一台设备预计失效。这也意味着在10^9 台设备中，它是预计一小时内平均有一台设备会出现故障。中子引起的失效是随机的，它符合此类模型事件。此处未考虑其它故障来源：  

•可靠性曲线的早期失效方面。  

• 在可靠性曲线之外扩展使用。   

• 正常使用过程中与应力相关的故障 ，由湿度或热量引起。这些应力可能会表示为 FIT 率或磨损率机制，这些取决于导致失效的应力的形式。  

FIT 率的一些属性：   

• FIT率可以进行叠加。在一个具有多个器件的组件中，各个器件的FIT 率可以叠加。  

• FIT 率可以随着时间的推移进行求和。可以通过加权FIT率来分配FIT率，在各种操作条件下乘以设备处于该运行状态的时间比例。中子引起的故障就是一个例子，如果一架飞机有30% 的时间在海拔 10 公里，1 公里处70%，  

调整后的FIT费率为0.3×FIT(10公里)+0.7× FIT（1 公里）。  

•系统MTBF（平均故障间隔时间）= 1 / 系统合计FIT 率。  

Microchip AN4589 Excess Failure Rate Calculation Due to Neutron Flux with SiCMOSFETs and Schottky Diodes