碳化硅功率器件可靠性之芯片研發(fā)及封裝篇
作者：
網(wǎng)絡(luò)
編輯：
瑞凱儀器
來源：
網(wǎng)絡(luò)
發(fā)布日期： 2021.07.12
質(zhì)量的狹義概念是衡量器件在當前是否滿足規(guī)定的標準要求，即產(chǎn)品性能是否與規(guī)格書描述的內(nèi)容一致。廣義上質(zhì)量和可靠性有關(guān)，可靠性是衡量器件壽命期望值的指標，即通過可靠性結(jié)果計算器件能持續(xù)多久滿足規(guī)范要求。測試新品器件是否合規(guī)比較容易，但判斷器件的物理特征是否會隨時間和環(huán)境而變化比較麻煩。
芯片研發(fā)環(huán)節(jié)的可靠性測試
衡量可靠性可以從器件的故障率入手。在典型故障曲線浴盆曲線中，隨著環(huán)境、時間、電場的作用，器件的故障率變化分為三個時期：
初期失效區(qū)域大致持續(xù)3-15個月，通常為1年。此區(qū)域發(fā)生的失效是多數(shù)半導(dǎo)體元器件共性，主要由設(shè)計和制造原因引起，可以被篩選；可用時期區(qū)域一般為10年，會出現(xiàn)隨機失效；老化區(qū)域出現(xiàn)的失效一般是因為材料疲勞和老化。
在產(chǎn)品投入市場前必須進行可靠性試驗。可靠性試驗根據(jù)已知失效機理設(shè)計出加速模實驗方法，將失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)出來排除隱患，避免在使用過程中出現(xiàn)可避免的失效。
每種可靠性試驗都對應(yīng)著某種失效模式，根據(jù)環(huán)境條件、試驗項目、試驗?zāi)康?、試驗性質(zhì)的不同，試驗方法有不同的分類。按照慣用的分類法，試驗方法可歸納為環(huán)境試驗、壽命試驗、篩選試驗、現(xiàn)場使用試驗、鑒定試驗五大類。
對于半導(dǎo)體企業(yè)，進行可靠性試驗是提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。在進行工業(yè)級產(chǎn)品可靠性驗證時，通常選取樣品數(shù)為22。基本半導(dǎo)體將樣本數(shù)按照汽車級（AEC-Q101）的要求提高到77片。HTRB、HVH3TRB、TC、AC/PCT、IOL、HTGB試驗是驗證器件可靠性的主要項目：
HTRB（高溫反偏測試）
HTRB是分立器件可靠性重要的一個試驗項目，其目的是暴露跟時間、應(yīng)力相關(guān)的缺陷，這些缺陷通常是鈍化層的可移動離子或溫度驅(qū)動的雜質(zhì)。
半導(dǎo)體器件對雜質(zhì)高度敏感，制造過程中有可能引入雜質(zhì)。雜質(zhì)在強電場作用下會呈現(xiàn)加速移動或擴散現(xiàn)象，終雜質(zhì)將擴散至半導(dǎo)體內(nèi)部導(dǎo)致失效。同樣的晶片表面鈍化層損壞后，雜質(zhì)可能遷移到晶片內(nèi)部導(dǎo)致失效。HTRB試驗可以使這些失效加速呈現(xiàn)，排查出異常器件。
基本半導(dǎo)體碳化硅二級管的HTRB實驗溫度為175℃，高于一般測試標準的150℃。器件在175℃的高低溫試驗箱里被施加80%的反壓，會出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。如果在1000小時內(nèi)漏電參數(shù)未超出規(guī)格底線，且保持穩(wěn)定不發(fā)生變化，說明器件設(shè)計和封裝組合符合標準。
HVH3TRB（高壓高溫高濕反偏測試）
AEC-Q101中只有H3TRB這個類別，其缺點是反壓過低，只有100V。基本半導(dǎo)體將標準提高，把反偏電壓設(shè)置80%的BV，并命名為HVH3TRB。
HVH3TRB主要是針對高溫高電壓環(huán)境下的失效的加速實驗，試驗設(shè)備——瑞凱儀器HAST試驗箱。高濕環(huán)境是對分立器件的封裝樹脂材料及晶片表面鈍化層的極大考驗，樹脂材料是擋不住水汽的，只能靠鈍化層，3種應(yīng)力的施加使早期的缺陷更容易暴露出來；
TC（溫度循環(huán)測試）
綁定線、焊接材料及樹脂材料受到熱應(yīng)力均存在老化和失效的風(fēng)險。溫度循環(huán)測試把被測對象放入溫度循環(huán)試驗箱中，溫度在-55℃到150℃之間循環(huán)（H等級），這個過程是對封裝材料施加熱應(yīng)力，評估器件內(nèi)部各種不同材質(zhì)在熱脹冷縮作用下的界面完整性；此項目標準對碳化硅功率模塊而言很苛刻，尤其是應(yīng)用于汽車的模塊。
AC/PCT（高溫蒸煮測試）
高溫蒸煮測試是把被測對象放進高溫高濕高氣壓的環(huán)境中，考驗晶片鈍化層的優(yōu)良程度及樹脂材料的性能。被測對象處于凝露高濕氣氛中，且環(huán)境中氣壓較高，濕氣能進入封裝內(nèi)部，可能出現(xiàn)分層、金屬化腐蝕等缺陷。
IOL（間歇工作壽命測試）
間歇工作壽命測試是一種功率循環(huán)測試，將被測對象置于常溫環(huán)境Ta=25℃，通入電流使其自身發(fā)熱結(jié)溫上升，且使?Tj≧100℃，等其自然冷卻至環(huán)境溫度，再通入電流使其結(jié)溫上升，不斷循環(huán)反復(fù)。此測試可使被測對象不同物質(zhì)結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力，可發(fā)現(xiàn)綁定線與鋁層的焊接面斷裂、芯片表面與樹脂材料的界面分層、綁定線與樹脂材料的界面分層等缺陷。對于材質(zhì)多且材質(zhì)與材質(zhì)接觸面比較多的模塊，此通過此項目難度較高。
HTGB（高溫門極偏置測試）
高溫門極偏置測試是針對碳化硅MOSFET的重要的實驗項目。在高溫環(huán)境下對門極長期施加電壓會促使門極的性能加速老化，且MOSFET的門極長期承受正電壓，或者負電壓，其門極的門檻值VGSth會發(fā)生漂移。
封裝環(huán)節(jié)的可靠性測試
除了芯片研發(fā)環(huán)節(jié)，封裝也是影響產(chǎn)品可靠性的重要因素。基本半導(dǎo)體碳化硅分立器件采用AEC-Q101標準進行測試。目前碳化硅二級管產(chǎn)品已通過AEC-Q101測試，工業(yè)級1200V碳化硅MOSFET也在進行AEC-Q101測試。
以下是封裝的幾個重要的測試項目：
端子強度
端子強度測試的目的是為了確定引出端的設(shè)計與連接方法是否能耐受在裝配、修理或搬運過程中所遇到的機械應(yīng)力。
耐焊接熱
通過耐焊接熱測試可以確定元件能否經(jīng)受在焊接（烙焊、浸焊、波峰焊、回流焊）端頭過程中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。
可焊性
可焊性測試可以判斷封裝廠的電鍍工藝是否合格，浸錫表面超過95%則為合格。
推力，拉力，剪切力測試
推力，拉力，剪切力測試是指芯片焊接后再分離出來的難度，可以考察芯片焊接過程是否良好。
無鉛器件要求
適用于引線終端含錫的器件，鉛料目前仍然是豁免的，也就是說器件仍可使用含鉛材料。
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