碳化硅功率器件可靠性測試方法詳解

引? ? ?言

可靠性，是指產品在規定時間內和條件下完成規定功能的能力，是產品質量的重要指標，如果在規定時間內和條件下產品失去了規定的功能，則稱之為產品失效或出現了故障?？煽啃詼y試項目的科學性、合理性，抽樣和試驗的規范性以及嚴謹性，對產品的環境壽命和質量水平的評估、研發的改進升級、產品迭代以及客戶導入和應用評估至關重要。

基本半導體碳化硅器件產品環境和壽命可靠性主要測試項目、條件及抽樣和接收標準

基本半導體器件環境和壽命可靠性測試項目是根據不同產品類型、材料特性及客戶潛在的應用環境等，并參考國內外權威標準（AEC-Q101、AQG324等），制定符合公司以及滿足客戶需求的測試項目和條件。目前公司器件環境和壽命主要可靠性測試項目包括HTRB、HTGB（MOSFET和IGBT）、HV-H3TRB、TC、AC、IOL等，試驗前后都要進行電應力測試和物理外觀確認，并按照車規級標準AEC-Q101的要求，每個可靠性項目都需要不同的3個批次，每個批次77pcs器件零失效通過測試，即表示該試驗通過。

01HTRB

HTRB（High Temperature Reverse Bias）主要用于驗證長期穩定情況下芯片的漏電流，考驗對象是邊緣結構和鈍化層的弱點或退化效應。

HTRB是分立器件可靠性最重要的一個試驗項目，其目的是暴露跟時間、應力相關的缺陷，這些缺陷通常是鈍化層的可移動離子或溫度驅動的雜質。半導體器件對雜質高度敏感，雜質在強電場作用下會呈現加速移動或擴散現象，最終將擴散至半導體內部導致失效。同樣的晶片表面鈍化層損壞后，雜質可能遷移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。

以碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

在測試中，需持續監測碳化硅MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗前后都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，則判定為失效。

02HTGB

HTGB（High Temperature Gate Bias）是針對碳化硅MOSFET進行的最重要的可靠性項目，主要用于驗證柵極漏電流的穩定性，考驗對象是碳化硅MOSFET柵極氧化層。在高溫環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，或者負電壓，其柵極閾值電壓VGSth會發生漂移。

測試原理圖如下：

在測試中，需持續監測碳化硅MOSFET柵極-漏極的漏電流，如果漏電流超過電源設定上限，則可以判定為失效。試驗前后都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，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，樹脂材料是擋不住水汽的，只能靠鈍化層，3種應力的施加使早期的缺陷更容易暴露出來。

AEC-Q101中只有H3TRB這個類別，其缺點是反壓過低，只有100V?；景雽w將標準提高，把反偏電壓設置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，需持續監測MOSFET源極-漏極的漏電流。試驗前后都要電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，則判定為失效。

04TC

TC（Temperature Cycling）測試主要用于驗證器件封裝結構和材料的完整性。

綁定線、焊接材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對象放入溫箱中，溫度在-55℃到150℃之間循環（H等級），這個過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面完整性；此項目標準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：

試驗前后都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發生異常。

05AC

AC（Autoclave）測試主要用于驗證器件封裝結構密閉完整性。該測試是把被測對象放進高溫高濕高氣壓的環境中，考驗晶片鈍化層的優良程度及樹脂材料的性能。被測對象處于凝露高濕氣氛中，且環境中氣壓較高，濕氣能進入封裝內部，可能出現分層、金屬化腐蝕等缺陷。

以碳化硅MOSFET為例，測試原理圖如下：

試驗前后都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發生異常。

06IOL

IOL（Intermittent Operational Life）測試是一種功率循環測試，將被測對象置于常溫環境TC=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，再通入電流使其結溫上升，不斷循環反復。此測試可使被測對象不同物質結合面產生應力，可發現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：

試驗前后同樣都要進行電應力測試，如器件靜態參數測試結果超出規定范圍，則判定為失效，并需檢查封裝外觀是否發生異常。

07結? ? 語

基本半導體的碳化硅功率器件產品在批量投入市場前都需要通過規定的可靠性測試，以確保每一款器件的性能長期穩定可靠?；景雽w配備了1500m2碳化硅功率器件工程實驗室，專注于研發設計驗證、新材料與實驗技術應用、產品功能試驗和可靠性試驗，是功率半導體領域研發測試的綜合實驗室。

基本半導體將持續以零缺陷為目標，不斷改進科學嚴格的質量控制方法，精進技術與產品質量，持續為光伏儲能、電動汽車、軌道交通、工業控制、智能電網等行業客戶提供更高性能、更可靠的產品和服務。

關于

基本半導體

深圳基本半導體有限公司是中國第三代半導體創新企業，專業從事碳化硅功率器件的研發與產業化。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有研發中心和制造基地。公司擁有一支國際化的研發團隊，核心成員包括二十余位來自清華大學、中國科學院、英國劍橋大學、德國亞琛工業大學、瑞士聯邦理工學院等國內外知名高校及研究機構的博士。

基本半導體掌握碳化硅核心技術，研發覆蓋碳化硅功率半導體的材料制備、芯片設計、晶圓制造、封裝測試、驅動應用等產業鏈關鍵環節，擁有知識產權兩百余項，核心產品包括碳化硅二極管和MOSFET芯片、汽車級碳化硅功率模塊、功率器件驅動芯片等，性能達到國際先進水平，服務于光伏儲能、電動汽車、軌道交通、工業控制、智能電網等領域的全球數百家客戶。

基本半導體承擔了國家工信部、科技部及廣東省、深圳市的數十項研發及產業化項目，與深圳清華大學研究院共建第三代半導體材料與器件研發中心，是國家5G中高頻器件創新中心股東單位之一，獲批中國科協產學研融合技術創新服務體系第三代半導體協同創新中心、廣東省第三代半導體碳化硅功率器件工程技術研究中心。

審核編輯：湯梓紅