碳化矽功率器（qì）件可靠性（xìng）之芯片研發及封裝篇
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發布日期： 2021.07.12
質量的狹義概（gài）念是衡量器件在當前是否滿足規定的標準（zhǔn）要求，即產品（pǐn）性能是否與規格書描述（shù）的內容一致。廣義上質量和可靠性有關，可靠性是衡量器件壽命期望值的指標，即通過可靠性結果計算器件能持續多久滿足規範要求。測試新品器件是否合規比較容易（yì），但判斷器件的物（wù）理特征是否會隨時間和（hé）環境而變化比較麻煩。
芯片研發環節的可（kě）靠性（xìng）測試
衡量可靠性可以（yǐ）從器件的故障率入手。在典（diǎn）型故（gù）障曲線浴（yù）盆曲線中，隨著環境、時間、電場的作用，器件的故障率變（biàn）化分為三個時（shí）期：
初期失效區域大致持續3-15個月，通常為1年。此區域發生的失效是多數半導體元器件（jiàn）共性，主要由設計和製造原因引起，可以被篩選；可用時（shí）期區域一（yī）般為10年，會出現隨機失（shī）效；老化（huà）區域（yù）出現的失效一般是因為材料疲勞和老化。
在產品投入市場（chǎng）前必須進行可靠（kào）性試驗。可靠性試驗根據（jù）已知失效機理設計出加速模實（shí）驗方（fāng）法，將失效現象複現出來排除隱患，避免在使用過（guò）程（chéng）中出現可避（bì）免的失效。
每（měi）種可靠性試驗都對應著某種失效模式，根據環（huán）境條件、試驗項目、試驗（yàn）目的（de）、試驗性質的不同，試驗方法有不同的分類。按照慣用（yòng）的分（fèn）類法，試驗（yàn）方法可歸納為環（huán）境試驗、壽命試驗、篩選試驗、現場使用試驗、鑒定試（shì）驗五大類。
對於半導體（tǐ）企業，進行可靠性試驗是提升產品（pǐn）質量的重要手段。在進（jìn）行工業級產品可靠性驗證時，通常選取樣品數（shù）為22。基本半（bàn）導體將樣（yàng）本數按照汽車級（AEC-Q101）的要求提高到77片。HTRB、HVH3TRB、TC、AC/PCT、IOL、HTGB試驗是驗證器件可靠性的（de）主要項目：
HTRB（高溫（wēn）反偏測試）
HTRB是分立（lì）器（qì）件可靠性重要的一個（gè）試驗項目，其（qí）目的是暴露（lù）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子或溫度驅動的雜（zá）質。
半導體器件對雜質高（gāo）度（dù）敏感（gǎn），製造過（guò）程中（zhōng）有可能引入雜質。雜質在（zài）強（qiáng）電（diàn）場作用下會呈現加速移動或擴散（sàn）現象，終雜質將（jiāng）擴散（sàn）至半導體內部導致失效。同樣的晶片表麵鈍化層損壞後，雜質可能遷移（yí）到晶片內部導致失效。HTRB試驗可以使這些失效加速呈現，排查出異常器件。
基本半導體碳化矽二級管的HTRB實驗溫度為175℃，高於一般測試標準（zhǔn）的150℃。器（qì）件在175℃的高低溫試驗箱裏被施加80%的反壓，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（biàn）化，說明器件設計和封（fēng）裝組合符合標準。
HVH3TRB（高（gāo）壓高溫高濕反偏（piān）測試）
AEC-Q101中隻有H3TRB這個（gè）類別，其缺點是（shì）反壓過（guò）低，隻有100V。基本半導體將標準提高，把反（fǎn）偏電壓設置80%的BV，並（bìng）命名為HVH3TRB。
HVH3TRB主要是針對高（gāo）溫（wēn）高電壓環境（jìng）下的失效的加速實驗，試驗設備——草莓视频网站儀器HAST試驗箱。高濕環境是對分立器件的封裝樹脂材料及（jí）晶片表麵（miàn）鈍化層的極大考驗，樹脂（zhī）材料是擋不住（zhù）水（shuǐ）汽的，隻能靠鈍化（huà）層（céng），3種應力的施加使早期的缺陷更容易暴露出來；
TC（溫（wēn）度循環測試）
綁定線、焊接材料及樹脂材料受到熱應力均存在（zài）老化和失效的風險。溫（wēn）度循環測試把被（bèi）測對象放入溫度循環試驗箱（xiāng）中，溫度在-55℃到150℃之間循環（H等級），這個過（guò）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麵完整性；此項目標準對碳化矽功率模（mó）塊（kuài）而言很苛（kē）刻，尤其是應用於汽車的模塊。
AC/PCT（高溫蒸煮測試）
高溫蒸煮測試是把被（bèi）測對象放進高溫（wēn）高濕高氣壓的環境中，考驗晶片鈍化層的優良程度（dù）及樹脂（zhī）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（jìn）入（rù）封裝內部，可能（néng）出現分（fèn）層、金屬化腐蝕等缺陷。
IOL（間歇工作壽命測試）
間歇（xiē）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（shàng）升，且使∆Tj≧100℃，等（děng）其自然冷卻（què）至（zhì）環境溫度，再通入電流使其結溫上升，不斷循環（huán）反複。此測試可使被測對象不同物質結合麵產生應（yīng）力，可發現綁定線與（yǔ）鋁層的焊接麵斷裂、芯片表麵與樹（shù）脂材（cái）料的界麵（miàn）分層、綁定線與樹（shù）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（kuài），此通過此項目難度較高。
HTGB（高（gāo）溫門極偏置測試）
高溫門極偏置測試是針對碳化矽MOSFET的重要的實驗項目。在高溫環（huán）境下對門極長期（qī）施加電壓會促使門極的性能加速老化，且MOSFET的門極長期（qī）承受正電壓，或者負電（diàn）壓，其門極的門檻值VGSth會發生（shēng）漂移。
封裝環節的可靠性測試
除了芯片研發（fā）環節，封裝也是影響產品可靠性的重要因素。基本半（bàn）導體碳化矽分立器件采用AEC-Q101標準進行測試。目（mù）前碳（tàn）化矽二級管產品已通過AEC-Q101測試，工業級1200V碳化矽MOSFET也在進行AEC-Q101測試。
以下是（shì）封裝的幾個重要的測試項目：
端子強度
端（duān）子（zǐ）強度測試的目的是為了確定（dìng）引出端的設計與連（lián）接方法是否能耐受在裝配、修理或搬運過程中（zhōng）所遇到的機械應力。
耐焊接（jiē）熱
通過耐焊接熱測試可以（yǐ）確定元件能否經受在焊接（烙焊、浸焊、波峰焊、回流（liú）焊）端頭過程中所產生的熱效應。
可（kě）焊性
可焊性測試可以判斷封裝廠的電鍍工藝是否（fǒu）合格，浸錫表麵超過（guò）95%則為（wéi）合格。
推力，拉力，剪切力測試
推力，拉力，剪切力測試是（shì）指芯（xīn）片焊接後再分（fèn）離出來的難度，可以考察芯（xīn）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件，鉛料目前仍（réng）然是豁免的，也就是說器件仍可使用含（hán）鉛材料。
