如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量功率芯片

功率器件負(fù)重前行

IGBT 是應(yīng)用最廣泛的可控功率電子開關(guān)，一個(gè)200A 1200V的IGBT4芯片只有指甲大小。你能想象嗎？它可以每個(gè)周期快速關(guān)斷600安培的電流，電流密度高達(dá)300安培每平方厘米！這個(gè)耐壓1200V的IGBT芯片只有紙張的厚度，可以想象圍繞芯片的物理界面的機(jī)械應(yīng)力會(huì)有多大。

在承受高壓大電流的同時(shí)，功率器件還要面臨復(fù)雜的工作環(huán)境，高溫、高濕、高海拔、宇宙射線等問題無一不制約著功率器件的壽命和可靠性。這樣，一顆足夠強(qiáng)壯的功率芯片就是實(shí)現(xiàn)低故障率的重中之重。

客觀認(rèn)為：

如何來評(píng)估一顆功率器件的可靠性？這就要用到FIT和MTBF概念。

FIT率是英文Failures In Time的縮寫，從其字面意思可知，它是以時(shí)間維度來表述失效率的，英飛凌每一款功率器件都可以提供FIT率報(bào)告。

以IKW25N120H3 25A/1200V IGBT為例，它的FIT率僅0.75ppm(百萬分之一),MTBF（平均無故障時(shí)間）達(dá)到了1,333,333,333小時(shí)，也就是說一萬顆管子在一起工作15年，才可能會(huì)有一顆管子出現(xiàn)故障，這真的是一個(gè)很驚人的數(shù)字。

（什么是FIT率？請(qǐng)參考如何理解FIT和MTBF）

英飛凌是如何實(shí)現(xiàn)如此低的故障率，

持續(xù)生產(chǎn)出高質(zhì)量的芯片呢？

讓我們一起來繼續(xù)探索吧!

品質(zhì)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品是設(shè)計(jì)出來的，產(chǎn)品質(zhì)量也是設(shè)計(jì)出來的！一枚高質(zhì)量功率芯片始于設(shè)計(jì)之初的工程藍(lán)圖。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的壽命需求，我們?cè)O(shè)計(jì)合理的芯片結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)，使得電氣性要滿足應(yīng)用需求，而且器件的長期可靠性及壽命也要滿足應(yīng)用需求。

舉個(gè)例子，海上風(fēng)電運(yùn)行壽命是25年，而且還要應(yīng)對(duì)不同的風(fēng)速變化情況與惡劣的工作環(huán)境。而變流器的核心—功率器件的壽命，勢(shì)必要在25年之上。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，英飛凌IGBT5芯片優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，并且給芯片表面敷銅，封裝上采用高性能.XT技術(shù)，大大提升器件功率循環(huán)壽命。

對(duì)于有些應(yīng)用，比如家用電器，它面臨的工作環(huán)境和壽命要求就和海上風(fēng)電完全不同，功率器件的質(zhì)量設(shè)計(jì)思路也必須要有所差異。設(shè)計(jì)之初的差異化，是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量精準(zhǔn)控制的第一步。

來料控制

晶圓的制造需要高純度的硅片，以及高純度的氣體、化學(xué)試劑等。英飛凌會(huì)對(duì)來料進(jìn)行認(rèn)證檢測(cè)確保符合生產(chǎn)要求。

舉個(gè)例子，現(xiàn)在的NPT及FS型IGBT芯片使用高純度的區(qū)熔單晶（FZ）。摻雜濃度的均勻性對(duì)功率器件是非常重要的。如果在晶片中存在摻雜濃度（或局部缺陷）的變化，電流可能分布不均勻，特別是在雪崩擊穿時(shí)，這可能造成局部過熱和器件損壞。英飛凌會(huì)對(duì)來料進(jìn)行嚴(yán)格的認(rèn)證檢測(cè)確保符合生產(chǎn)要求。

生產(chǎn)流程

晶圓的生產(chǎn)類似搭積木，需要經(jīng)過反復(fù)的循環(huán)步驟，才能制造出最終產(chǎn)品。

舉個(gè)例子，英飛凌絕大部分的IGBT和所有的SiC MOSFET均使用溝槽柵結(jié)構(gòu)，然而要在堅(jiān)硬的Si或者SiC表面刻蝕出表面光滑的溝槽并不是一件容易的事，尤其是SiC的莫氏硬度為9.5級(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石（10級(jí)），在SiC表面刻槽更是難上加難。因此，溝槽柵的設(shè)計(jì)-制造環(huán)節(jié)須歷經(jīng)長期技術(shù)沉淀。通過酸腐蝕工藝制備溝槽時(shí)，須對(duì)溝槽的寬度和深度實(shí)現(xiàn)精確控制。同時(shí)，IGBT 溝槽底部的倒角需要非常圓潤光滑，以免影響器件耐壓。而溝槽形貌與設(shè)備條件、刻蝕工藝和后處理有著十分緊密的聯(lián)系。

下面是IGBT7的剖面圖，從縱向結(jié)構(gòu)看，一個(gè)IGBT有多個(gè)層次，例如金屬層、柵極氧化層、多晶硅層、N+發(fā)射極、P基區(qū)、N-漂移區(qū)、N緩沖層、P+集電極區(qū)等等。

為了形成這些層次，IGBT需要經(jīng)過多次離子注入、退火、清洗等工藝，一個(gè)Wafer要在設(shè)備間循環(huán)往復(fù)數(shù)百次，才能得到最終的晶圓產(chǎn)品，每一步的工藝控制都對(duì)成品率及可靠性有重要影響。

對(duì)于生產(chǎn)的每一步驟，英飛凌都采用統(tǒng)計(jì)制程控制，確保每道制程的產(chǎn)出都在正常范圍之內(nèi)才會(huì)進(jìn)行下一道工序的生產(chǎn)。例如檢查晶圓不同區(qū)域沉積層的厚度，當(dāng)有異常情況就需要停止生產(chǎn)直至找出根因才會(huì)繼續(xù)。

缺陷篩查

缺陷篩查在芯片生產(chǎn)過程中尤為關(guān)鍵。微結(jié)構(gòu)的晶圓對(duì)極小的灰塵顆粒敏感，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響電路并造成失效。因此芯片生產(chǎn)車間提出了百級(jí)潔凈度的要求，所謂“百級(jí)”潔凈，即每立方英尺的空氣中≥0.5微米粒徑的粒子數(shù)量不超過100個(gè)，堪比最高潔凈等級(jí)手術(shù)室的標(biāo)準(zhǔn)。要達(dá)到如此高的潔凈度標(biāo)準(zhǔn)，除了復(fù)雜的空氣凈化措施之外，最重要的就是控制人員進(jìn)入！是的，人體就是芯片工藝車間里最大的污染源。為了提高自動(dòng)化程度，減少人員使用，英飛凌大量使用機(jī)器人。英飛凌位于奧地利維拉赫的新半導(dǎo)體工廠耗資16億元，占地6萬平方米，大約有8個(gè)足球場(chǎng)那么大，但由于采用了高度自動(dòng)化技術(shù)，整個(gè)工廠只需要10名工人就能維持運(yùn)營！每個(gè)工人的產(chǎn)值有多高！

另外，材料的固有缺陷也會(huì)影響最終的成品率。舉個(gè)例子，在雙極性運(yùn)行（PN結(jié)，比如MOSFET的體二極管，在導(dǎo)電時(shí)）條件下，任何類型的SiC器件都可能出現(xiàn)雙極退化效應(yīng)。這種效應(yīng)主要是由SiC晶體上早先存在的基底面位錯(cuò)（BPD）觸發(fā)的。它可能導(dǎo)致芯片的有效有源區(qū)域縮小，二極管通態(tài)壓降逐漸增加。但是，我們可以采取優(yōu)化的芯片生產(chǎn)工藝抑制這一缺陷，以及在芯片出廠之前執(zhí)行有效的篩查措施，確保交付給客戶的產(chǎn)品擁有穩(wěn)定的性能。

這是一項(xiàng)極其挑戰(zhàn)的任務(wù)，因?yàn)樗秃孟袷窃谧闱驁?chǎng)里找出散落的圖釘。但是為了最終的極限品質(zhì)，英飛凌愿意克服困難，來執(zhí)行100%的缺陷掃描，將有缺陷的產(chǎn)品篩選出來。

可靠性驗(yàn)證

功率芯片要通過多重的可靠性的考驗(yàn)才能最終上市。這些考驗(yàn)包括HTRB，HTGB，PC,TC等等，下面是你能在官網(wǎng)上看到的，英飛凌依據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，出具的可靠性報(bào)告中部分條目：

IMW120R045M1 1200V 45mohm SiC MOSFET質(zhì)量報(bào)告中的電參數(shù)部分

但英飛凌不會(huì)滿足于此，我們真正執(zhí)行的可靠性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)超JEDEC。如下圖所示，是你看不見的，CoolSiC MOSFET默默執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。HTRB和HTGB（即HTGS）的合格應(yīng)力時(shí)間為1000小時(shí)，但英飛凌實(shí)際測(cè)試的時(shí)長是2000小時(shí)，是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的2倍！而且，動(dòng)態(tài)應(yīng)力試驗(yàn)很重要，因?yàn)樗鼈兛赡苡|發(fā)在遵循標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)試驗(yàn)中觀察不到的失效機(jī)制，所以我們做了很多JEDEC標(biāo)準(zhǔn)里并沒有列出來的實(shí)驗(yàn)，如動(dòng)態(tài)H3TRB和動(dòng)態(tài)反向偏壓（DRB）。而這些試驗(yàn)中都未發(fā)現(xiàn)任何系統(tǒng)的壽命終期失效機(jī)制。

采用TO247封裝的、1200V電壓等級(jí)的CoolSiC MOSFET實(shí)際進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)

最終測(cè)試

生產(chǎn)環(huán)節(jié)的收尾工序便是最終測(cè)試環(huán)節(jié)。我們可以按照規(guī)格來測(cè)試，但是這足夠嗎？英飛凌的研究發(fā)現(xiàn)，如果是偏離主流分布的產(chǎn)品，最終失效的概率可能會(huì)比處于主流分布區(qū)間之內(nèi)的高1000倍，因此英飛凌設(shè)定按照測(cè)試分布6σ來劃分上下限，以確保最終出貨的高品質(zhì)。

因此，你看到的數(shù)據(jù)，實(shí)際上有留有很大余量的。舉個(gè)例子，F(xiàn)F600R12ME4 600A 1200V 數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)稱的漏電流最大值ICES 3mA, 然而實(shí)測(cè)一下會(huì)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)F600R12ME4 在1200V下的漏電流僅是uA量級(jí)。