SiC碳化硅功率器件可靠性測(cè)試方法詳解
發(fā)表于：2024-04-03 作者：evtol 關(guān)注度：2
SiC碳化硅功率器件可靠性測(cè)試方法詳解
傾佳電子（Changer Tech）致力于國(guó)產(chǎn)碳化硅（SiC）MOSFET功率器件在電力電子市場(chǎng)的推廣！Changer Tech-Authorized Distributor of BASiC Semiconductor which committed to the promotion of BASiC™ silicon carbide (SiC) MOSFET power devices in the power electronics market!
引 言
SiC碳化硅功率器件可靠性，是指產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和條件下完成規(guī)定功能的能力，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和條件下產(chǎn)品失去了規(guī)定的功能，則稱之為產(chǎn)品失效或出現(xiàn)了故障。可靠性測(cè)試項(xiàng)目的科學(xué)性、合理性，抽樣和試驗(yàn)的規(guī)范性以及嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境壽命和質(zhì)量水平的評(píng)估、研發(fā)的改進(jìn)升級(jí)、產(chǎn)品迭代以及客戶導(dǎo)入和應(yīng)用評(píng)估至關(guān)重要。
圖片
基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件產(chǎn)品環(huán)境和壽命可靠性主要測(cè)試項(xiàng)目、條件及抽樣和接收標(biāo)準(zhǔn)
基本™（BASiC Semiconductor）器件環(huán)境和壽命可靠性測(cè)試項(xiàng)目是根據(jù)不同產(chǎn)品類(lèi)型、材料特性及客戶潛在的應(yīng)用環(huán)境等，并參考國(guó)內(nèi)外權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)（AEC-Q101、AQG324等），制定符合公司以及滿足客戶需求的測(cè)試項(xiàng)目和條件。目前公司器件環(huán)境和壽命主要可靠性測(cè)試項(xiàng)目包括HTRB、HTGB（MOSFET和IGBT）、HV-H3TRB、TC、AC、IOL等，試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試和物理外觀確認(rèn)，并按照車(chē)規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q101的要求，每個(gè)可靠性項(xiàng)目都需要不同的3個(gè)批次，每個(gè)批次77pcs器件零失效通過(guò)測(cè)試，即表示該試驗(yàn)通過(guò)。
01 HTRB 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件
基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HTRB（High Temperature Reverse Bias）主要用于驗(yàn)證長(zhǎng)期穩(wěn)定情況下芯片的漏電流，考驗(yàn)對(duì)象是邊緣結(jié)構(gòu)和鈍化層的弱點(diǎn)或退化效應(yīng)。
基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HTRB是分立器件可靠性最重要的一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，其目的是暴露跟時(shí)間、應(yīng)力相關(guān)的缺陷，這些缺陷通常是鈍化層的可移動(dòng)離子或溫度驅(qū)動(dòng)的雜質(zhì)。半導(dǎo)體器件對(duì)雜質(zhì)高度敏感，雜質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下會(huì)呈現(xiàn)加速移動(dòng)或擴(kuò)散現(xiàn)象，最終將擴(kuò)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(yàn)可以使這些失效加速呈現(xiàn)，排查出異常器件。
以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測(cè)試原理圖如下：
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在測(cè)試中，需持續(xù)監(jiān)測(cè)碳化硅MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試，如器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。
02 HTGB 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件
基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HTGB（High Temperature Gate Bias）是針對(duì)碳化硅MOSFET進(jìn)行的最重要的可靠性項(xiàng)目，主要用于驗(yàn)證柵極漏電流的穩(wěn)定性，考驗(yàn)對(duì)象是碳化硅MOSFET柵極氧化層。在高溫環(huán)境下對(duì)柵極長(zhǎng)期施加電壓會(huì)促使柵極的性能加速老化，且碳化硅MOSFET的柵極長(zhǎng)期承受正電壓，或者負(fù)電壓，其柵極閾值電壓VGSth會(huì)發(fā)生漂移。
測(cè)試原理圖如下：
圖3.png
在測(cè)試中，需持續(xù)監(jiān)測(cè)基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET柵極-漏極的漏電流，如果漏電流超過(guò)電源設(shè)定上限，則可以判定為失效。試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試，如器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。
03 HV-H3TRB 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件
基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件HV-H3TRB（High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias）主要用于測(cè)試溫濕度對(duì)功率器件長(zhǎng)期特性的影響。高濕環(huán)境是對(duì)分立器件的封裝樹(shù)脂材料及晶片表面鈍化層的極大考驗(yàn)，樹(shù)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(lái)。
AEC-Q101中只有H3TRB這個(gè)類(lèi)別，其缺點(diǎn)是反壓過(guò)低，只有100V?；?trade;（BASiC Semiconductor）將標(biāo)準(zhǔn)提高，把反偏電壓設(shè)置80%~100%的BV，稱為HVH3TRB。
以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測(cè)試原理圖如下：
圖片4.png
在測(cè)試中，需持續(xù)監(jiān)測(cè)基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗(yàn)前后都要電應(yīng)力測(cè)試，如器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。
04 TC 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件
基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件TC（Temperature Cycling）測(cè)試主要用于驗(yàn)證器件封裝結(jié)構(gòu)和材料的完整性。
綁定線、焊接材料及樹(shù)脂材料受到熱應(yīng)力均存在老化和失效的風(fēng)險(xiǎn)。溫度循環(huán)測(cè)試把被測(cè)對(duì)象放入溫箱中，溫度在-55℃到150℃之間循環(huán)（H等級(jí)），這個(gè)過(guò)程是對(duì)封裝材料施加熱應(yīng)力，評(píng)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(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳化硅功率模塊而言很苛刻。
以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測(cè)試原理圖如下：
圖5.png
試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試，如器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發(fā)生異常。
05 AC 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件
基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件AC（Autoclave）測(cè)試主要用于驗(yàn)證器件封裝結(jié)構(gòu)密閉完整性。該測(cè)試是把被測(cè)對(duì)象放進(jìn)高溫高濕高氣壓的環(huán)境中，考驗(yàn)晶片鈍化層的優(yōu)良程度及樹(shù)脂材料的性能。被測(cè)對(duì)象處于凝露高濕氣氛中，且環(huán)境中氣壓較高，濕氣能進(jìn)入封裝內(nèi)部，可能出現(xiàn)分層、金屬化腐蝕等缺陷。
以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測(cè)試原理圖如下：
圖6.png
試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試，如器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發(fā)生異常。
06 IOL 基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件
基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件IOL（Intermittent Operational Life）測(cè)試是一種功率循環(huán)測(cè)試，將被測(cè)對(duì)象置于常溫環(huán)境TC=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(cè)試可使被測(cè)對(duì)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(shù)脂材料的界面分層、綁定線與樹(shù)脂材料的界面分層等缺陷。
以基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅器件碳化硅MOSFET為例，測(cè)試原理圖如下：
圖7.png
試驗(yàn)前后同樣都要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試，如器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發(fā)生異常。
07 結(jié) 語(yǔ)
國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET可靠性及一致性如何確保？
電力電子系統(tǒng)研發(fā)制造商一般需要碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商提供可靠性測(cè)試報(bào)告的原始數(shù)據(jù)對(duì)比和器件封裝的FT數(shù)據(jù)。
SiC碳化硅MOSFET可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)主要來(lái)自以下可靠性測(cè)試環(huán)節(jié)的測(cè)試前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，通過(guò)對(duì)齊可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)測(cè)試前后漂移量的對(duì)比，從而反映器件的可靠性控制標(biāo)準(zhǔn)及真實(shí)的可靠性裕量。SiC碳化硅MOSFET可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)主要包括以下數(shù)據(jù):
SiC碳化硅MOSFET高溫反偏 High Temperature Reverse Bias HTRB Tj=175℃ VDS=100%BV
SiC碳化硅MOSFET高溫柵偏（正壓） High Temperature Gate Bias（+） HTGB（+） Tj=175℃ VGS=22V
SiC碳化硅MOSFET高溫柵偏（負(fù)壓） High Temperature Gate Bias（-） HTGB（-） Tj=175℃ VGS=-8V
SiC碳化硅MOSFET高壓高濕高溫反偏 High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias HV-H3TRB Ta=85℃ RH=85% VDS=80%BV
SiC碳化硅MOSFET高壓蒸煮 Autoclave AC Ta=121℃ RH=100% 15psig
SiC碳化硅MOSFET溫度循環(huán) Temperature Cycling TC -55℃ to 150℃
SiC碳化硅MOSFET間歇工作壽命 Intermittent Operational Life IOL △Tj≥100℃ Ton=2min Toff=2min
FT數(shù)據(jù)來(lái)自碳化硅MOSFET功率器件FT測(cè)試(Final Test，也稱為FT)是對(duì)已制造完成的碳化硅MOSFET功率器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電氣功能確認(rèn)，以保證碳化硅MOSFET功率器件符合系統(tǒng)的需求。
通過(guò)分析碳化硅MOSFET功率器件FT數(shù)據(jù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（比如V(BR)DSS，VGS(th)，RDS(on)，
IDSS）的正態(tài)分布，可以定性碳化硅MOSFET功率器件材料及制程的穩(wěn)定性，這些數(shù)據(jù)的定性對(duì)電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及大批量制造的穩(wěn)定性也非常關(guān)鍵。
傾佳電子（Changer Tech）專業(yè)分銷(xiāo)的基本™（BASiC Semiconductor）第二代SiC碳化硅MOSFET兩大主要特色：
1.出類(lèi)拔萃的可靠性：相對(duì)競(jìng)品較為充足的設(shè)計(jì)余量來(lái)確保大規(guī)模制造時(shí)的器件可靠性。
BASiC基本™第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列擊穿電壓BV值實(shí)測(cè)在1700V左右，高于市面主流競(jìng)品，擊穿電壓BV設(shè)計(jì)余量可以抵御碳化硅襯底外延材料及晶圓流片制程的擺動(dòng)，能夠確保大批量制造時(shí)的器件可靠性，這是BASiC基本™第二代SiC碳化硅MOSFET最關(guān)鍵的品質(zhì). BASiC基本™第二代SiC碳化硅MOSFET雪崩耐量裕量相對(duì)較高，也增強(qiáng)了在電力電子系統(tǒng)應(yīng)用中的可靠性。
2.可圈可點(diǎn)的器件性能：同規(guī)格較小的Crss帶來(lái)出色的開(kāi)關(guān)性能。
BASiC基本™第二代SiC碳化硅MOSFET反向傳輸電容Crss 在市面主流競(jìng)品中是比較小的，帶來(lái)關(guān)斷損耗Eoff也是市面主流產(chǎn)品中非常出色的，優(yōu)于部分海外競(jìng)品，特別適用于LLC應(yīng)用，典型應(yīng)用如充電樁電源模塊后級(jí)DC-DC應(yīng)用。
Basic™ (BASiC Semiconductor) second generation SiC silicon carbide MOSFET has two main features:
1. Outstanding reliability: Compared with competing products, there is sufficient design margin to ensure device reliability during mass manufacturing.
The breakdown voltage BV value of BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET 1200V series is measured to be around 1700V, which is higher than mainstream competing products on the market. The breakdown voltage BV design margin can withstand silicon carbide substrate epitaxial materials and wafers. The swing of the tape-out process can ensure device reliability during mass manufacturing, which is the most critical quality of BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET. BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET The relatively high avalanche tolerance margin also enhances reliability in power electronic system applications.
2. Remarkable device performance: Smaller Crss with the same specifications brings excellent switching performance.
BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET reverse transmission capacitor Crss is relatively small among mainstream competing products on the market, and its turn-off loss Eoff is also very good among mainstream products on the market, better than some overseas competing products. , especially suitable for LLC applications, typical applications such as charging pile power module downstream DC-DC applications.
基本™（BASiC Semiconductor）的碳化硅功率器件產(chǎn)品在批量投入市場(chǎng)前都需要通過(guò)規(guī)定的可靠性測(cè)試，以確保每一款器件的性能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。基本™（BASiC Semiconductor）配備了1500m2碳化硅功率器件工程實(shí)驗(yàn)室，專注于研發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、新材料與實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品功能試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)，是功率半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)測(cè)試的綜合實(shí)驗(yàn)室。
基本™（BASiC Semiconductor）將持續(xù)以零缺陷為目標(biāo)，不斷改進(jìn)科學(xué)嚴(yán)格的質(zhì)量控制方法，精進(jìn)技術(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量，持續(xù)為光伏儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等行業(yè)客戶提供更高性能、更可靠的產(chǎn)品和服務(wù)。
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