碳化硅功率器件可靠性之芯片研發及封裝篇
作者:
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編輯(ji):
瑞凱儀器
來源:
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發布日期: 2021.07.12
質(zhi)量的(de)(de)狹義概(gai)念是(shi)(shi)(shi)(shi)衡(heng)(heng)量器件在當前是(shi)(shi)(shi)(shi)否滿(man)足規定的(de)(de)標(biao)準要求,即產品性(xing)能(neng)是(shi)(shi)(shi)(shi)否與規格書(shu)描述的(de)(de)內容一致。廣義上質(zhi)量和可(ke)靠性(xing)有關,可(ke)靠性(xing)是(shi)(shi)(shi)(shi)衡(heng)(heng)量器件壽命期望值的(de)(de)指標(biao),即通過可(ke)靠性(xing)結(jie)果計(ji)算器件能(neng)持續多久滿(man)足規范要求。測(ce)試新品器件是(shi)(shi)(shi)(shi)否合規比較容易,但判斷器件的(de)(de)物理特(te)征是(shi)(shi)(shi)(shi)否會隨時間和環境而變(bian)化(hua)比較麻煩。
芯片研發(fa)環節的可靠(kao)性測試
衡量可靠性可以從(cong)器件(jian)的(de)故障(zhang)(zhang)率入手。在典型(xing)故障(zhang)(zhang)曲線(xian)浴盆曲線(xian)中,隨著環(huan)境、時間(jian)、電場的(de)作用,器件(jian)的(de)故障(zhang)(zhang)率變(bian)化分為(wei)三個時期:
初(chu)期失(shi)效(xiao)區域大致(zhi)持續3-15個(ge)月(yue),通常為(wei)1年。此區域發生的失(shi)效(xiao)是多數半導體元器件(jian)共性,主(zhu)要由設計(ji)和制造原因引起,可以被篩選;可用時期區域一般為(wei)10年,會出現(xian)隨機失(shi)效(xiao);老化區域出現(xian)的失(shi)效(xiao)一般是因為(wei)材料疲(pi)勞和老化。
在(zai)產品投(tou)入市場(chang)前必(bi)須進行可(ke)(ke)靠(kao)性(xing)試驗。可(ke)(ke)靠(kao)性(xing)試驗根據已知失效機理設(she)計出(chu)加速模(mo)實驗方法,將失效現(xian)(xian)象復(fu)現(xian)(xian)出(chu)來排除隱(yin)患,避免(mian)在(zai)使用過程(cheng)中出(chu)現(xian)(xian)可(ke)(ke)避免(mian)的(de)失效。
每(mei)種(zhong)可靠性試驗(yan)(yan)(yan)(yan)都對應著(zhu)某種(zhong)失效模式,根據環(huan)境(jing)條件、試驗(yan)(yan)(yan)(yan)項目、試驗(yan)(yan)(yan)(yan)目的(de)、試驗(yan)(yan)(yan)(yan)性質的(de)不同,試驗(yan)(yan)(yan)(yan)方法(fa)有不同的(de)分類。按(an)照慣用的(de)分類法(fa),試驗(yan)(yan)(yan)(yan)方法(fa)可歸納為環(huan)境(jing)試驗(yan)(yan)(yan)(yan)、壽命試驗(yan)(yan)(yan)(yan)、篩(shai)選(xuan)試驗(yan)(yan)(yan)(yan)、現(xian)場使用試驗(yan)(yan)(yan)(yan)、鑒定試驗(yan)(yan)(yan)(yan)五大類。
對于半導體企業(ye),進(jin)行可(ke)靠性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)是提升產品質量的(de)重(zhong)要手段。在進(jin)行工業(ye)級產品可(ke)靠性(xing)驗(yan)(yan)證(zheng)時,通常選取樣(yang)品數為(wei)22。基本半導體將樣(yang)本數按(an)照汽車級(AEC-Q101)的(de)要求(qiu)提高到77片。HTRB、HVH3TRB、TC、AC/PCT、IOL、HTGB試(shi)驗(yan)(yan)是驗(yan)(yan)證(zheng)器件(jian)可(ke)靠性(xing)的(de)主要項目(mu):
HTRB(高溫反偏測試)
HTRB是(shi)分(fen)立器件可靠性重(zhong)要的(de)(de)一個試驗項(xiang)目,其(qi)目的(de)(de)是(shi)暴露跟時間、應力(li)相關的(de)(de)缺(que)陷,這些缺(que)陷通常是(shi)鈍化層(ceng)的(de)(de)可移動離子或溫(wen)度(du)驅動的(de)(de)雜質(zhi)。
半導(dao)體器件對雜質(zhi)高度敏感,制造過(guo)程(cheng)中有(you)可能引入雜質(zhi)。雜質(zhi)在(zai)強電場作用下(xia)會(hui)呈現(xian)加速移動或(huo)擴散現(xian)象,終雜質(zhi)將擴散至半導(dao)體內(nei)部導(dao)致失(shi)效。同(tong)樣的晶片表面(mian)鈍(dun)化層(ceng)損壞后,雜質(zhi)可能遷移到晶片內(nei)部導(dao)致失(shi)效。HTRB試驗可以(yi)使(shi)這些失(shi)效加速呈現(xian),排查出異(yi)常器件。
基本半導(dao)體(ti)碳化硅二級管(guan)的HTRB實驗溫度(du)為175℃,高(gao)于一般測試(shi)標(biao)(biao)準的150℃。器(qi)件在(zai)(zai)175℃的高(gao)低(di)溫試(shi)驗箱里被施加(jia)80%的反壓,會(hui)出(chu)(chu)現漏電現象(xiang)。如果在(zai)(zai)1000小時內漏電參(can)數未超出(chu)(chu)規格底線,且保持穩(wen)定不發(fa)生變化,說明器(qi)件設計和封(feng)裝組合符合標(biao)(biao)準。
HVH3TRB(高壓(ya)高溫高濕反偏測(ce)試)
AEC-Q101中只有(you)H3TRB這個類(lei)別(bie),其(qi)缺點是反(fan)壓過低,只有(you)100V。基本半(ban)導體將標(biao)準提高,把反(fan)偏電(dian)壓設(she)置80%的BV,并(bing)命名為HVH3TRB。
HVH3TRB主要是針對高溫高電壓環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(溫度循環測試(shi))
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。溫度循環測試把被測對象放入溫度循環試驗箱中,溫度在-55℃到150℃之間循環(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(wen)蒸煮測試)
高(gao)溫蒸煮測(ce)試是把(ba)被測(ce)對(dui)象放進高(gao)溫高(gao)濕高(gao)氣(qi)壓的環(huan)境中,考(kao)驗晶(jing)片鈍(dun)化層的優良程度(du)及樹脂材料(liao)的性(xing)能(neng)。被測(ce)對(dui)象處于凝露高(gao)濕氣(qi)氛中,且環(huan)境中氣(qi)壓較高(gao),濕氣(qi)能(neng)進入(ru)封裝(zhuang)內部(bu),可能(neng)出現分層、金屬化腐蝕等缺陷。
IOL(間歇(xie)工作(zuo)壽命測試(shi))
間歇工作壽命測(ce)(ce)試是一(yi)種功率循環(huan)(huan)測(ce)(ce)試,將被測(ce)(ce)對象(xiang)(xiang)置于常(chang)溫(wen)(wen)環(huan)(huan)境Ta=25℃,通入電流使其(qi)自身發熱結溫(wen)(wen)上(shang)升,且使?Tj≧100℃,等其(qi)自然(ran)冷卻至(zhi)環(huan)(huan)境溫(wen)(wen)度,再通入電流使其(qi)結溫(wen)(wen)上(shang)升,不斷(duan)循環(huan)(huan)反復。此(ci)測(ce)(ce)試可(ke)使被測(ce)(ce)對象(xiang)(xiang)不同物質(zhi)(zhi)結合面產生應力,可(ke)發現綁定(ding)線與(yu)鋁層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)焊接面斷(duan)裂、芯片表面與(yu)樹(shu)脂材(cai)料(liao)的(de)界面分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)、綁定(ding)線與(yu)樹(shu)脂材(cai)料(liao)的(de)界面分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)等缺陷。對于材(cai)質(zhi)(zhi)多且材(cai)質(zhi)(zhi)與(yu)材(cai)質(zhi)(zhi)接觸面比(bi)較多的(de)模塊(kuai),此(ci)通過此(ci)項目難度較高。
HTGB(高溫門極偏置測試)
高溫門(men)極偏置測(ce)試是針對碳化硅MOSFET的重要的實驗項目。在高溫環境下對門(men)極長期(qi)施加(jia)電壓會促(cu)使門(men)極的性能加(jia)速老化,且MOSFET的門(men)極長期(qi)承受正電壓,或(huo)者負電壓,其門(men)極的門(men)檻值VGSth會發生漂移。
封裝環節(jie)的可靠性(xing)測試
除了(le)芯片(pian)研發環節(jie),封裝也是影響產品(pin)可靠性的重要因素。基本半導體碳(tan)(tan)化硅分(fen)立器件采(cai)用AEC-Q101標準進行(xing)測(ce)試。目前(qian)碳(tan)(tan)化硅二級管產品(pin)已通過AEC-Q101測(ce)試,工業級1200V碳(tan)(tan)化硅MOSFET也在進行(xing)AEC-Q101測(ce)試。
以下(xia)是(shi)封裝的(de)幾個重要的(de)測試項目:
端子強(qiang)度
端(duan)(duan)子強度測試的(de)目的(de)是為了確定引出端(duan)(duan)的(de)設計與連(lian)接方(fang)法(fa)是否能耐受在裝配、修(xiu)理或搬運過(guo)程(cheng)中所(suo)遇到的(de)機(ji)械應力。
耐焊接熱
通過(guo)耐(nai)焊接(jie)熱測試(shi)可以確(que)定元件(jian)能否(fou)經受在焊接(jie)(烙焊、浸焊、波峰焊、回流焊)端(duan)頭過(guo)程(cheng)中所產生的熱效應。
可焊性
可焊性測試可以判斷封裝廠(chang)的電(dian)鍍(du)工藝是否(fou)合格(ge),浸錫(xi)表面超過95%則為合格(ge)。
推力(li),拉力(li),剪切力(li)測試
推力(li),拉力(li),剪切(qie)力(li)測試是指芯片焊接后(hou)再分(fen)離(li)出(chu)來的(de)難(nan)度,可以考察芯片焊接過程是否良(liang)好。
無鉛器(qi)件(jian)要求
適用于引線終端含(han)錫的(de)器(qi)件,鉛料目前仍然是豁(huo)免的(de),也就是說器(qi)件仍可使用含(han)鉛材(cai)料。