碳化硅功率器件可靠性測試方法詳解

引? ? ?言

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?？煽啃詼y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，對產(chǎn)品的環(huán)境壽命和質(zhì)量水平的評估、研發(fā)的改進(jìn)升級、產(chǎn)品迭代以及客戶導(dǎo)入和應(yīng)用評估至關(guān)重要。

基本半導(dǎo)體碳化硅器件產(chǎn)品環(huán)境和壽命可靠性主要測試項(xiàng)目、條件及抽樣和接收標(biāo)準(zhǔn)

基本半導(dǎo)體器件環(huán)境和壽命可靠性測試項(xiàng)目是根據(jù)不同產(chǎn)品類型、材料特性及客戶潛在的應(yīng)用環(huán)境等，并參考國內(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)力測試和物理外觀確認(rèn)，并按照車規(guī)級標(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器件零失效通過測試，即表示該試驗(yàn)通過。

01HTRB

HTRB（High Temperature Reverse Bias）主要用于驗(yàn)證長期穩(wěn)定情況下芯片的漏電流，考驗(yàn)對象是邊緣結(jié)構(gòu)和鈍化層的弱點(diǎn)或退化效應(yīng)。

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)體器件對雜質(zhì)高度敏感，雜質(zhì)在強(qiáng)電場作用下會呈現(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。

以碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

在測試中，需持續(xù)監(jiān)測碳化硅MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。

02HTGB

HTGB（High Temperature Gate Bias）是針對碳化硅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)對象是碳化硅MOSFET柵極氧化層。在高溫環(huán)境下對柵極長期施加電壓會促使柵極的性能加速老化，且碳化硅MOSFET的柵極長期承受正電壓，或者負(fù)電壓，其柵極閾值電壓VGSth會發(fā)生漂移。

測試原理圖如下：

在測試中，需持續(xù)監(jiān)測碳化硅MOSFET柵極-漏極的漏電流，如果漏電流超過電源設(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)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。

03HV-H3TRB

HV-H3TRB（High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias）主要用于測試溫濕度對功率器件長期特性的影響。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(yàn)，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。

AEC-Q101中只有H3TRB這個(gè)類別，其缺點(diǎn)是反壓過低，只有100V?；景雽?dǎo)體將標(biāo)準(zhǔn)提高，把反偏電壓設(shè)置80%~100%的BV，稱為HVH3TRB。

以碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

在測試中，需持續(xù)監(jiān)測MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗(yàn)前后都要電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。

04TC

TC（Temperature Cycling）測試主要用于驗(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)測試把被測對象放入溫箱中，溫度在-55℃到150℃之間循環(huán)（H等級），這個(gè)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(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)對碳化硅功率模塊而言很苛刻。

以碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(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。

05AC

AC（Autoclave）測試主要用于驗(yàn)證器件封裝結(jié)構(gòu)密閉完整性。該測試是把被測對象放進(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(jìn)入封裝內(nèi)部，可能出現(xiàn)分層、金屬化腐蝕等缺陷。

以碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(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。

06IOL

IOL（Intermittent Operational Life）測試是一種功率循環(huán)測試，將被測對象置于常溫環(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。

以碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

試驗(yàn)前后同樣都要進(jìn)行電應(yīng)力測試，如器件靜態(tài)參數(shù)測試結(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

基本半導(dǎo)體的碳化硅功率器件產(chǎn)品在批量投入市場前都需要通過規(guī)定的可靠性測試，以確保每一款器件的性能長期穩(wěn)定可靠。基本半導(dǎo)體配備了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)測試的綜合實(shí)驗(yàn)室。

基本半導(dǎo)體將持續(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)為光伏儲能、電動(dòng)汽車、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)。

關(guān)于

基本半導(dǎo)體

深圳基本半導(dǎo)體有限公司是中國第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新企業(yè)，專業(yè)從事碳化硅功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。公司總部位于深圳，在北京、上海、南京、無錫、香港以及日本名古屋設(shè)有研發(fā)中心和制造基地。公司擁有一支國際化的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，核心成員包括二十余位來自清華大學(xué)、中國科學(xué)院、英國劍橋大學(xué)、德國亞琛工業(yè)大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院等國內(nèi)外知名高校及研究機(jī)構(gòu)的博士。

基本半導(dǎo)體掌握碳化硅核心技術(shù)，研發(fā)覆蓋碳化硅功率半導(dǎo)體的材料制備、芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測試、驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)，擁有知識產(chǎn)權(quán)兩百余項(xiàng)，核心產(chǎn)品包括碳化硅二極管和MOSFET芯片、汽車級碳化硅功率模塊、功率器件驅(qū)動(dòng)芯片等，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，服務(wù)于光伏儲能、電動(dòng)汽車、軌道交通、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的全球數(shù)百家客戶。

基本半導(dǎo)體承擔(dān)了國家工信部、科技部及廣東省、深圳市的數(shù)十項(xiàng)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，與深圳清華大學(xué)研究院共建第三代半導(dǎo)體材料與器件研發(fā)中心，是國家5G中高頻器件創(chuàng)新中心股東單位之一，獲批中國科協(xié)產(chǎn)學(xué)研融合技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)體系第三代半導(dǎo)體協(xié)同創(chuàng)新中心、廣東省第三代半導(dǎo)體碳化硅功率器件工程技術(shù)研究中心。

審核編輯：湯梓紅