碳化硅功率器件可靠性之芯片研發(fā)及封裝篇
作者：
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瑞凱儀器
來源：
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發(fā)布日期： 2021.07.12
質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，即產品性能是否與規(guī)格書描述的內容一致。廣義上質量和可靠性有關，可靠性是衡量器件壽命期望值的指標，即通過可靠性結果計算器件能持續(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)生的失效是多數半導體元器件共性，主要由設計和制造原因引起，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。
在產品投入市場前必須進行可靠性試驗?？煽啃栽囼灨鶕阎C理設計出加速模實驗方法，將失效現(xiàn)象復現(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著某種失效模式，根據環(huán)境條件、試驗項目、試驗目的、試驗性質的不同，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。
對于半導體企業(yè)，進行可靠性試驗是提升產品質量的重要手段。在進行工業(yè)級產品可靠性驗證時，通常選取樣品數為22。基本半導體將樣本數按照汽車級（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、應力相關的缺陷，這些缺陷通常是鈍化層的可移動離子或溫度驅動的雜質。
半導體器件對雜質高度敏感，制造過程中有可能引入雜質。雜質在強電場作用下會呈現(xiàn)加速移動或擴散現(xiàn)象，終雜質將擴散至半導體內部導致失效。同樣的晶片表面鈍化層損壞后，雜質可能遷移到晶片內部導致失效。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小時內漏電參數未超出規(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?；景雽w將標準提高，把反偏電壓設置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力均存在老化和失效的風險。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力，評估器件內部各種不同材質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，再通入電流使其結溫上升，不斷循環(huán)反復。此測試可使被測對象不同物質結合面產生應力，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。對于材質多且材質與材質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)，封裝也是影響產品可靠性的重要因素。基本半導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力。
耐焊接熱
通過耐焊接熱測試可以確定元件能否經受在焊接（烙焊、浸焊、波峰焊、回流焊）端頭過程中所產生的熱效應。
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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