国产第三代半导体企业探究SiC芯片研发及封装的可靠性,提升碳化硅功率器件质量

2021-03-31 基本半导体
碳化硅功率器件,碳化硅二级管,碳化硅MOSFET,基本半导体

质量的狭义概念是衡量器件在当前是否满足规定的标准要求,即产品性能是否与规格书描述的内容一致。广义上质量和可靠性有关,可靠性是衡量器件寿命期望值的指标,即通过可靠性结果计算器件能持续多久满足规范要求。测试新品器件是否合规比较容易,但判断器件的物理特征是否会随时间和环境而变化比较麻烦。本文中,国产碳化硅领军企业的基本半导体将从碳化硅芯片研发和封装方面探讨可靠性问题。


芯片研发环节的可靠性测试

衡量可靠性可以从器件的故障率入手。在典型故障曲线浴盆曲线中,随着环境、时间、电场的作用,器件的故障率变化分为三个时期:初期失效区域大致持续3-15个月,通常为1年。此区域发生的失效是多数半导体元器件共性,主要由设计和制造原因引起,可以被筛选;可用时期区域一般为10年,会出现随机失效;老化区域出现的失效一般是因为材料疲劳和老化。

在产品投入市场前必须进行可靠性试验。可靠性试验根据已知失效机理设计出加速模实验方法,将失效现象复现出来排除隐患,避免在使用过程中出现可避免的失效。


每种可靠性试验都对应着某种失效模式,根据环境条件、试验项目、试验目的、试验性质的不同,试验方法有不同的分类。按照惯用的分类法,试验方法可归纳为环境试验、寿命试验、筛选试验、现场使用试验、鉴定试验五大类。


对于半导体企业,进行可靠性试验是提升产品质量的重要手段。在进行工业级产品可靠性验证时,通常选取样品数为22。基本半导体将样本数按照汽车级(AEC-Q101)的要求提高到77片。HTRB、HVH3TRB、TC、AC/PCT、IOL、HTGB试验是验证器件可靠性的主要项目。


HTRB(高温反偏测试)

HTRB是分立器件可靠性最重要的一个试验项目,其目的是暴露跟时间、应力相关的缺陷,这些缺陷通常是钝化层的可移动离子或温度驱动的杂质。


半导体器件对杂质高度敏感,制造过程中有可能引入杂质。杂质在强电场作用下会呈现加速移动或扩散现象,最终杂质将扩散至半导体内部导致失效。同样的晶片表面钝化层损坏后,杂质可能迁移到晶片内部导致失效。HTRB试验可以使这些失效加速呈现,排查出异常器件。


基本半导体碳化硅二级管的HTRB实验温度为175℃,高于一般测试标准的150℃。器件在175℃的环境温箱里被施加80%的反压,会出现漏电现象。如果在1000小时内漏电参数未超出规格底线,且保持稳定不发生变化,说明器件设计和封装组合符合标准。


HVH3TRB(高压高温高湿反偏测试)

AEC-Q101中只有H3TRB这个类别,其缺点是反压过低,只有100V。基本半导体将标准提高,把反偏电压设置80%的BV,并命名为HVH3TRB。


HVH3TRB主要是针对高温高电压环境下的失效的加速实验。高湿环境是对分立器件的封装树脂材料及晶片表面钝化层的极大考验,树脂材料是挡不住水汽的,只能靠钝化层,3种应力的施加使早期的缺陷更容易暴露出来。


TC(温度循环测试)

绑定线、焊接材料及树脂材料受到热应力均存在老化和失效的风险。温度循环测试把被测对象放入温箱中,温度在-55℃到150℃之间循环(H等级),这个过程是对封装材料施加热应力,评估器件内部各种不同材质在热胀冷缩作用下的界面完整性;此项目标准对碳化硅功率模块而言很苛刻,尤其是应用于汽车的模块。


AC/PCT(高温蒸煮测试)

高温蒸煮测试是把被测对象放进高温高湿高气压环境中,考验晶片钝化层的优良程度及树脂材料的性能。被测对象处于凝露高湿气氛中,且环境中气压较高,湿气能进入封装内部,可能出现分层、金属化腐蚀等缺陷。


IOL(间歇工作寿命测试)

间歇工作寿命测试是一种功率循环测试,将被测对象置于常温环境Ta=25℃,通入电流使其自身发热结温上升,且使∆Tj≧100℃,等其自然冷却至环境温度,再通入电流使其结温上升,不断循环反复。此测试可使被测对象不同物质结合面产生应力,可发现绑定线与铝层的焊接面断裂、芯片表面与树脂材料的界面分层、绑定线与树脂材料的界面分层等缺陷。对于材质多且材质与材质接触面比较多的模块,此通过此项目难度较高。


HTGB(高温门极偏置测试)

高温门极偏置测试是针对碳化硅MOSFET的最重要的实验项目。在高温环境下对门极长期施加电压会促使门极的性能加速老化,且MOSFET的门极长期承受正电压,或者负电压,其门极的门槛值VGSth会发生漂移。


封装环节的可靠性测试

除了芯片研发环节,封装也是影响产品可靠性的重要因素。基本半导体碳化硅分立器件采用AEC-Q101标准进行测试。目前碳化硅二级管产品已通过AEC-Q101测试,工业级1200V碳化硅MOSFET也在进行AEC-Q101测试。


封装的几个重要的测试项目:端子强度;耐焊接热;可焊性;推力,拉力,剪切力测试及无铅器件要求。

端子强度:测试的目的是为了确定引出端的设计与连接方法是否能耐受在装配、修理或搬运过程中所遇到的机械应力。

耐焊接热:通过耐焊接热测试可以确定元件能否经受在焊接(烙焊、浸焊、波峰焊、回流焊)端头过程中所产生的热效应。

可焊性:可焊性测试可以判断封装厂的电镀工艺是否合格,浸锡表面超过95%则为合格。

推力,拉力,剪切力测试:推力,拉力,剪切力测试是指芯片焊接后再分离出来的难度,可以考察芯片焊接过程是否良好。

无铅器件要求:适用于引线终端含锡的器件,铅料目前仍然是豁免的,也就是说器件仍可使用含铅材料。


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