高温反偏（HTRB）可靠性测试是一种加速寿命试验，通过施加温度应力和电应力的双重作用，加速功率半导体器件的老化过程，以评估其在长期高温高压环境下的可靠性和稳定性。这种测试是考核功率器件耐压特性的重要手段，广泛应用于二极管、晶体管、功率器件如MOSFET和IGBT等。
测试原理与机制
HTRB测试的核心原理在于利用高温和反向偏置电压的协同效应，加速器件内部的潜在失效机制。高温会提高载流子的本征激发，加剧漏电流，并加速材料内部的化学反应（如氧化、离子迁移）、降低材料能垒、激活缺陷，以及加速界面态的电荷俘获/释放过程和金属间化合物的形成。反向偏置则在PN结或MOS结构的反偏区域产生强电场，驱动可动离子向界面迁移，促进载流子隧穿或FN隧穿，引起栅氧或介质层退化，并增加空间电荷区的碰撞电离。这种高温和电场的协同作用远大于单一应力，能更快暴露器件在长期使用中可能出现的与温度、电场相关的可靠性问题。
同时，失效机理主要涉及可动离子（如钠离子）在高温高压下的行为。这些离子在电场作用下迁移到关键区域，形成表面电荷，改变电场分布，导致漏电流增大或耐压能力退化。具体表现为感应沟道和耗尽层展宽两种机制：感应沟道指可动离子吸引载流子形成积累层，产生漏电；耗尽层展宽则是离子聚集增强表面电场，削弱耐压能力。
测试方法与条件
HTRB测试的典型条件包括温度通常设定在125°C、150°C或175°C，接近或略高于器件的最高额定结温，尤其汽车电子应用常要求150°C；反向偏置电压为器件额定击穿电压的80%至90%，以施加持续高电场应力而非引起雪崩击穿；测试时间标准为1000小时，中间测量点常见于168小时和500小时，某些严苛应用可能延长至2000小时。偏置施加方式通常是持续施加反向电压，对于多引脚器件如MOSFET，源极和栅极短接，漏极施加高压，确保反向偏压作用于待测结。测试时需注意先加电压后升温，测试结束时先降温再切断电压，以避免已聚集离子在高温下分散影响结果。
监控方面，在测试过程中会进行中间测量，将器件取出高温环境冷却至室温后，检测关键参数如反向漏电流、击穿电压、导通电阻和阈值电压等；同时可在高温下原位监控漏电流变化，若电流急剧增大则记录失效时间。
常见失效模式及机理
在HTRB测试中，常见的失效模式包括反向漏电流显著增大、反向击穿电压漂移或下降、软击穿、器件完全失效（如开路或短路）以及参数漂移超标。这些失效的机理多样：反向漏电流增大可能由于可动离子污染迁移到界面形成电荷积累，或表面态密度增加和晶体缺陷增殖；击穿电压漂移常因表面电荷改变电场分布或钝化层缺陷劣化；软击穿多与栅氧或介质层缺陷相关；完全失效可能源于金属化/键合线因高漏电流导致局部过热（如电迁移、熔断）、芯片热膨胀不匹配开裂、封装材料退化或湿气侵入；参数漂移则与界面态电荷俘获或栅氧电荷注入有关。可动离子主要来自制造和封装过程，其在芯片表面的积累会通过感应沟道或耗尽层展宽机制直接导致耐压退化。
可靠性提升方向
为提升HTRB可靠性，重点在于优化器件终端结构和钝化工艺。常用钝化材料包括硼磷硅玻璃（BPSG），其负离子能中和钠离子，减少污染影响；聚酰亚胺（Polyimide），具有优异的抗钠离子沾污能力、热稳定性和电绝缘性，能有效削弱二氧化硅层中正电荷的不良影响；氮氧化硅（SiON），兼具二氧化硅和氮化硅的优点，能抵抗湿气和钠离子穿通；以及无定形硅，其悬空键可固定钠离子，且热稳定性好、电阻率大。这些材料通过改善终端电场分布和减少离子迁移，增强器件的长期可靠性。
总之，HTRB测试通过高温和反向高压电场的协同作用，加速器件失效，主要评估漏电流增大、击穿电压漂移等失效模式。测试条件通常包括高温度、高电压和长时间应力，监控参数变化以确保器件可靠性。通过优化终端设计和钝化工艺，可以有效提升器件的HTRB性能，确保其在严苛环境下的稳定运行。
