碳化矽（guī）功率器件可靠性之芯片研發及封裝篇
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發布日期： 2021.07.12
質量（liàng）的狹義概念是衡量器件在當前是（shì）否滿足規定的標準要求（qiú），即（jí）產品（pǐn）性能是否與規格書描述的內容一致。廣（guǎng）義（yì）上質量和可靠性有關，可（kě）靠性是衡量器件壽命期望值的（de）指標，即通過可靠性結果計算器件能（néng）持續多久滿足規範要求（qiú）。測試（shì）新品器件是否合（hé）規比較（jiào）容易，但（dàn）判斷器件的物理特征是（shì）否會隨時間和環境而變化（huà）比（bǐ）較麻煩。
芯（xīn）片研發環（huán）節的可靠性（xìng）測試
衡量可靠性可以從器件的（de）故障率入手。在典型故障曲線浴盆曲線中，隨著環境、時間、電（diàn）場的作用，器件的故障率變化分為三個時期：
初期失（shī）效區域大致持續3-15個月，通常為1年。此（cǐ）區域發（fā）生的失效是多數半導體元器件共性，主要由設計和製造原（yuán）因引起，可以被（bèi）篩選；可用時期區域一般為10年，會（huì）出現隨機失效；老化區域出現的失效一般是因為材料疲勞和老化（huà）。
在產品投（tóu）入市場前必須進行可靠性試驗。可（kě）靠性試（shì）驗（yàn）根據已知（zhī）失（shī）效機理設計出加速模實驗方法，將失效現象複現出（chū）來排除隱患，避免（miǎn）在使用過程中出現可避免的失效。
每種（zhǒng）可靠性試驗都對應著某種失效模式（shì），根據環境條件、試驗項（xiàng）目、試驗目的、試驗（yàn）性質的（de）不同，試驗方法有不同的分類。按（àn）照慣用的分類法，試驗方法可歸納為環境試驗、壽命（mìng）試驗、篩選試驗、現場使用試驗（yàn）、鑒（jiàn）定試驗五大類。
對於半導體企業，進行可靠性（xìng）試驗是提升產品質量的重要（yào）手段。在進行工業級產品可靠性驗證時，通常選取（qǔ）樣品數為22。基本半導體將（jiāng）樣本數按照（zhào）汽車級（jí）（AEC-Q101）的要（yào）求提高到77片。HTRB、HVH3TRB、TC、AC/PCT、IOL、HTGB試驗是驗（yàn）證器件可靠性的主（zhǔ）要項目：
HTRB（高溫反（fǎn）偏（piān）測試）
HTRB是分立器件（jiàn）可靠（kào）性重要（yào）的一個（gè）試驗項目，其目的（de）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（lí）子或溫度驅動的雜質。
半導體器件對雜質高度敏感，製造過程中有可能引入雜質。雜質在強電場作用（yòng）下會呈現加（jiā）速移動或擴散現象，終雜質將擴散至半導體內部導致失效。同樣的晶片表麵（miàn）鈍化層損壞後，雜質可能遷移到晶片內部導致失效（xiào）。HTRB試（shì）驗可以使（shǐ）這些失效加速呈現，排查出異常器件。
基（jī）本半導體碳化矽二級（jí）管的HTRB實驗溫度為175℃，高於一般測試標準的150℃。器件在175℃的高低溫試驗箱裏被施加80%的反壓（yā），會出現漏電現象。如果在1000小時內漏電參數未超出規格底線，且保持穩定不發生變化，說明器件設計和封裝組合（hé）符合標準。
HVH3TRB（高壓高溫（wēn）高濕反偏測（cè）試）
AEC-Q101中隻有H3TRB這個類別，其缺點是（shì）反壓（yā）過低，隻有100V。基（jī）本半導體將標準提高，把反偏電壓設置80%的BV，並命名為HVH3TRB。
HVH3TRB主要是針對（duì）高溫高（gāo）電（diàn）壓環境下的失效的加速實驗，試驗設備——草莓视频网站（kǎi）儀器HAST試驗箱。高濕環境是對分立器件的封裝樹脂（zhī）材料及晶片表麵鈍化層的極大考驗，樹脂（zhī）材料是擋不住水汽的，隻能靠鈍化層，3種應力的施（shī）加使早期的缺陷更（gèng）容易暴露（lù）出（chū）來；
TC（溫度循環（huán）測試）
綁定線、焊接材（cái）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（cè）對象放入（rù）溫度循環試驗（yàn）箱中（zhōng），溫度在-55℃到150℃之間循環（H等級），這個過（guò）程是對封裝（zhuāng）材（cái）料施（shī）加熱應力，評估器件內部各種不同（tóng）材質（zhì）在（zài）熱（rè）脹冷縮作用下的界麵完整性；此項（xiàng）目標準（zhǔn）對碳化矽功（gōng）率模塊而言很苛刻，尤其是應（yīng）用於汽車的模塊。
AC/PCT（高（gāo）溫蒸煮測試）
高溫蒸煮測試是把被測對象（xiàng）放進高溫高濕高氣壓的環境中，考驗晶片鈍化（huà）層的優良程（chéng）度及樹脂材料的性能。被測對象處於凝露高濕氣氛中，且環境中氣壓較高，濕氣能進入封裝內部，可能出現分層、金（jīn）屬化腐蝕等缺陷。
IOL（間歇工作壽（shòu）命（mìng）測試）
間歇工作壽命測試是一種功率循環測試，將被測對象置於常溫環境Ta=25℃，通入電流使其自身發熱結溫上升，且使∆Tj≧100℃，等其自然冷卻至環境溫度（dù），再通（tōng）入（rù）電流（liú）使其結溫上升，不斷循環反複。此測試（shì）可使被測對象不同物質結合麵產生應力，可發現綁定線與鋁層（céng）的焊接麵斷裂、芯片表麵與樹脂材料的界麵（miàn）分層、綁定線與樹脂材料的界麵分層等缺陷。對於材質多且材質與材質接觸麵比較多的模塊，此（cǐ）通過此項目難度較高。
HTGB（高溫門極偏（piān）置測（cè）試）
高溫門極偏置測試是針對碳化矽MOSFET的重要的實驗項目。在（zài）高溫環境下對門極長期施加電壓會促使門極（jí）的性能加速老（lǎo）化，且MOSFET的門極長（zhǎng）期承（chéng）受正電壓，或者負電壓，其門極的門檻值VGSth會發生漂移。
封裝環節的可靠性測試（shì）
除了芯片（piàn）研（yán）發（fā）環節，封裝也是影響產品可靠性的重要因素。基本半導（dǎo）體碳化矽分立器件采（cǎi）用AEC-Q101標準進行測試。目前碳化矽二級（jí）管產品已通過AEC-Q101測試，工業級1200V碳化矽MOSFET也（yě）在進行（háng）AEC-Q101測試。
以下是封裝（zhuāng）的幾（jǐ）個重要的（de）測試項目：
端子（zǐ）強度
端子強（qiáng）度測試的目的（de）是為了確定引出端（duān）的設（shè）計與連接（jiē）方法是否能耐受在裝配、修理或搬（bān）運過程中（zhōng）所遇到的機械應力。
耐焊接（jiē）熱
通過耐焊接熱（rè）測試可以確定元件能否經受在焊（hàn）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（xìng）測試可以判斷封裝（zhuāng）廠的電鍍工藝是否合（hé）格，浸錫表麵超過95%則為合格（gé）。
推（tuī）力，拉力，剪切力測試
推力，拉力（lì），剪切力（lì）測試是指芯片焊接後（hòu）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
適用於引線終端含錫的器（qì）件，鉛料目前仍然是（shì）豁免的，也（yě）就是說器件仍可使用含（hán）鉛材料。
