【技术】浅析碳化硅功率器件可靠性

近 20 多年来，碳化硅作为一种宽禁带功率器件，受到人们越来越多的关注。由于碳化硅器件的高频、高压、耐高温、开关速度快、损耗低等特性，已成为支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车、能源互联网等产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料，成为全球半导体技术和产业竞争焦点。

从碳化硅整个产业链来看，满足终端客户的碳化硅器件测试尤为重要。作为国产碳化硅器件制造先行者之一，淄博绿能芯创电子科技有限公司一直致力于为客户提供高可靠性的产品。可靠性是衡量器件寿命期望值的指标，即通过可靠性结果计算器件能持续多久，以判断是否满足规范要求。可靠性试验根据已知失效机理设计出加速模实验方法，将失效现象复现出来排除隐患，避免在使用过程中出现可避免的失效。对于半导体企业，进行可靠性试验是提升产品质量的重要手段。

衡量可靠性可从器件的故障率入手，在典型的浴盆曲线（Bathtub Curve）中，随着环境、时间、电场的作业，器件故障率变化可分为三个阶段。第一阶段是初期失效区域：大致持续3-15个月，通常为一年，此区域具有高失效率，是多数半导体元器件共性，主要由制造，设计等原因造成，易被筛选。第二阶段是可用时期区域一般为10年，会出现随机失效，具有非常低的失效率，由器件的本征失效机制产生。第三个阶段：老化区域，具有高失效率，一般由材料疲劳、老化造成。

可靠性试验就是通过施加应力，绘制出芯片的生命周期曲线，以便客户能在安全的范围内使用。每种可靠性试验期对应着某种失效模式，碳化硅器件在Wafer、封装阶段都要做不同的可靠性测试。

一、芯片环节的可靠性测试

绿能芯创生产的碳化硅器件严格按照AEC-Q101要求进行可靠性试验。在进行工业级产品可靠性验证时，通常选取样品数为22。绿能芯创将样本数按照汽车级（AEC-Q101）的要求提高到77片。HTRB、HTGB、HVH³TRB、TC、IOL、AC/PCT等试验是验证器件可靠性的主要项目。

HTRB是分立器件可靠性最重要的一个试验项目，目的是暴露跟时间、应力相关的缺陷，这些缺陷通常是钝化层的可移动离子或温度驱动的杂质。半导体器件对杂质高度敏感，制造过程中有可能引入杂质。杂质在强电场作用下会呈现加速移动或扩散现象，最终杂质将扩散至半导体内部导致失效。同样的晶片表面钝化层损坏后，杂质可能迁移到晶片内部导致失效。

简而言之，HTRB试验是在高温下加上反向偏压的工作模式，由于高温下漏电流增加，质量差的器件就会失效，以此评估产品的可靠性。

测试温度： 150℃（for MOSFET）,175℃(for SBD, JBS)

测试电压：80%BV

测试时间： 1000h

参考测试标准：JESD22-A108

高温栅偏测试是针对碳化硅MOSFET的最重要的实验项目。在高温环境下对栅极长期施加电压会促使栅极的性能加速老化，且MOSFET的栅极长期承受正电压，或者负电压，其栅极的门槛值VGSth会发生漂移。

测试温度：150℃

测试时间：1000h

参考测试标准：JESD22-A108

HVH³TRB主要是针对高温高电压环境下的失效的加速实验，尤其是高湿。高湿环境是对分立器件的封装树脂材料及晶片表面钝化层的极大考验，树脂材料是挡不住水汽的，只能靠钝化层，3种应力的施加使早期的缺陷更容易暴露出来。

测试温湿度：85℃，85%RH

测试电压： 80%BV

测试时间：1000h

参考测试标准：JESD22-A101

绑定线、焊接材料及树脂材料受到热应力均存在老化和失效的风险。温度循环测试把被测对象放入温箱中，温度在-55℃到150℃之间循环（H等级），这个过程是对封装材料施加热应力，评估器件内部各种不同材质在热胀冷缩作用下的界面完整性；器件本身不加电，绑定线、焊接材料、树脂材料，都受到热应力的作用而存在老化和失效的风险，例如拉裂、脱落等。此项目标准对碳化硅功率模块而言很苛刻，尤其是应用于汽车的模块。

测试温度：高温150℃，低温-55℃（H等级）

测试时间：500h

参考测试标准：JESD22-A104

间歇工作寿命测试是一种功率循环测试，将被测对象置于常温环境Ta=25℃，通入电流使其自身发热结温上升，且使ΔT≧100℃，等其自然冷却至环境温度，再通入电流使其结温上升，不断循环反复。此测试可使被测对象不同物质结合面产生应力，可发现绑定线与铝层的焊接面断裂、芯片表面与树脂材料的界面分层、焊线与树脂材料的界面分层等缺陷。对于材质多且材质与材质接触面比较多的模块，通过此项目难度较高。

测试温度：Ta=25℃，ΔT≥100℃

测试时间：1000h参考

测试标准：MIL-STD-750 M1037

高温蒸煮测试是把被测对象放进高温高湿高气压的环境中，考验晶片钝化层的优良程度及树脂材料的性能。被测对象处于凝露高湿气氛中，且环境中气压较高，湿气能进入封装内部，可能出现分层、金属化腐蚀等缺陷。这个测试考验的也是晶片的钝化层的优良程度及树脂材料的性能。

测试温湿度及压力：高温121℃，湿度100%RH

测试压力：15psig

测试时间：96h

参考测试标准：JESD22-A102

二、封装阶段的可靠性试验

除了芯片研发环节，封装也是影响产品可靠性的重要因素。碳化硅分立器件采用AEC-Q101标准进行测试，一般都是封装外协厂做相关可靠性测试，并举证。

以下是封装的几个重要的测试项目：

1.端子强度（Terminal Strength）

端子强度测试的目的是为了确定引出端的设计与连接方法是否能耐受在装配、修理或搬运过程中所遇到的机械应力。

2.耐焊接热（Resistance to Soldering Heat）

通过耐焊接热测试可以确定元件能否经受在焊接(烙焊、漫焊、波峰焊、回流焊)端头过程中所产生的热效应。

3.可焊性（Solderability）

可焊性测试可以判断封装厂的电镀工艺是否合格，浸锡表面超过95%则为合格。

4.推力，拉力，剪切力测试（Bond Shear, Wire Bond Strength, Die Shear）

推力，拉力，剪切力测试是指芯片焊接后再分离出来的难度，可以考查芯片焊接过程是否良好。

5.无铅器件要求 Lead free

适用于引线终端含锡的器件，铅料目前仍然是豁免的，也就是说器件仍可使用含铅材料。

通过芯片和封装阶段的可靠性测试，保证为客户提供高可靠性产品。这样才能满足现代技术和生产的需要，才获得高的经济效益，才有高的竞争能力。绿能芯创碳化硅器件产品会严把质量关，深入研究其可靠性原理和失效机理，加强可靠性工程相关工作，同时和产品研发、工程部和制造部紧密合作，保证产品保持足够的可靠性容限，进而保证产品的安全性和实用性。