前面的文章，和大家分享了安森美(onsemi)在襯底和外延的概況，同時(shí)也分享了安森美在器件開(kāi)發(fā)的一些特點(diǎn)和進(jìn)展。到這里大家對于SiC的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)有一定的了解了。也就是從襯底到芯片，對于一個(gè)SiC功率器件來(lái)說(shuō)只是完成了一半的工作，還有剩下一半就是這次我們要分享的封裝。好的封裝才能把SiC的性能發(fā)揮出來(lái)，這次我們會(huì )從AQG324這個(gè)測試標準的角度來(lái)看芯片和封裝的開(kāi)發(fā)與驗證。

圖一是SSDC模塊的剖面示意圖，圖二是整個(gè)SSDC模塊的結構圖，從圖一和圖二我們可以發(fā)現這個(gè)用在主驅的功率模塊還是比較復雜的，里面包含了許多的零部件。我們怎么保證這個(gè)SSDC功率模塊能在汽車(chē)的應用環(huán)境下達到預期的工作壽命？

圖一SSDC模塊剖面示意圖

圖二SSDC模塊的結構圖

相信很多的汽車(chē)主驅相關(guān)的工程師和廣大行業(yè)從業(yè)人員都了解到，汽車(chē)功率模塊的開(kāi)發(fā)過(guò)程中有一個(gè)非常重要的測試標準，這就是AQG324，它是歐洲電力電子中心（European Center for Power Electronics）主導的測試標準，AQG 324代表了一個(gè)基于最佳實(shí)踐和卓越需求的行業(yè)指南。它是汽車(chē)功率模塊的一個(gè)基本標準，也就是說(shuō)是個(gè)門(mén)檻，只有完成了根據它的測試規范設計的測試計劃才能得到廣大的車(chē)廠(chǎng)認可。所以滿(mǎn)足AQG324只是一個(gè)基本的要求。由于它是一個(gè)行業(yè)標準不是強制性的，最終的決定權取決于最終的用戶(hù)。安森美所有的汽車(chē)級SiC功率模塊都是通過(guò)了AQG324的測試規范。新研發(fā)的SiC功率模塊則完全滿(mǎn)足最新的AQG324規范。AQG324目前最新版本是發(fā)布于31.05.2021，這個(gè)版本比之前的多了一些針對SiC的內容，這一部分附加的部分是針對SiC等三代半半導體的，前面的測試規范是針對硅基半導體。所以當前的絕大多數做車(chē)規功率模塊的廠(chǎng)家都會(huì )也都要研究這個(gè)測試規范。圖三是安森美最新的SiC功率模塊AQG324兼容性

圖三安森美AQG324規范兼容性

為了方便理解封裝的測試開(kāi)發(fā)，用圖四的項目開(kāi)發(fā)表為例子，這樣會(huì )有助于理解整個(gè)模塊的開(kāi)發(fā)流程。

圖四項目開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)表

我們會(huì )發(fā)現在項目開(kāi)始之后會(huì )做不同的DOE，還有不同的前期的驗證測試計劃，最后才開(kāi)始正式的AQG324，實(shí)際的項目會(huì )遠比這個(gè)復雜，這里僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的示意。為什么我們需要這些流程？AQG324都有哪些內容？

其實(shí)所有的前期驗證測試都是基于A(yíng)QG324的測試標準針對特定的一些項目展開(kāi)的，當這些項目都滿(mǎn)足要求之后才會(huì )正式的開(kāi)始制作B樣，開(kāi)始進(jìn)行完整的AQG324測試，樣品通過(guò)測試之后就能得到C樣，然后開(kāi)始準備量產(chǎn)相關(guān)工作。

圖五是AQG324里的模塊測試相關(guān)項

圖五AQG324模塊測試相關(guān)項

最左邊一列可以說(shuō)就是AQG324的測試項目，至于具體的測試條件和開(kāi)發(fā)的模塊等有關(guān)系。這些都是Si的測試項。

下面把AQG324大致展開(kāi)來(lái)看一下，它都測試哪些內容，它背后的邏輯是怎樣的。

圖六是AQG324的框架，從這個(gè)AQG324的框架我們可以看出它的背后的邏輯。

圖六AGQ324框架

首先特性測試確保參加測試的模塊的基本特性，建立一個(gè)特性參數的標準，用來(lái)和后面的一些壽命相關(guān)測試比對，作為失效的判斷標準。環(huán)境測試則側重于一些機械特性相關(guān)的測試。壽命測試則從各方面考核了模塊封裝以及芯片的可靠性，并且通過(guò)功率循環(huán)測試結合汽車(chē)廠(chǎng)商的路譜（mission profile）可以計算出功率模塊的壽命。這個(gè)就是AQG324的一個(gè)目的，通過(guò)一系列的測試來(lái)推算出功率模塊的使用壽命。

圖七是平面結構的SiC結構示意圖以及SiC功率模塊的結構示意圖。從圖七(a)可以看到芯片也是一層一層的堆疊起來(lái)的，一般MOS的芯片差不多在15-20層之間。AQG324的壽命測試里的HTGB，HTRB以及H3TRB和HTSL/LTS等主要是對SiC的芯片各層進(jìn)行了測試，而功率循環(huán)則是向上文所展開(kāi)的那樣對芯片和下面的陶瓷基板以及散熱基板的連接部分進(jìn)行了測試。其實(shí)測試只是最后的驗證考核的手段之一，整個(gè)項目從一開(kāi)始就要針對這些測試可能會(huì )照成的失效進(jìn)行有針對性的設計。所以從芯片的研發(fā)、生產(chǎn)的工藝以及模塊的研發(fā)和生產(chǎn)工藝都要針對AGQ324來(lái)展開(kāi)。這也就是我們常說(shuō)的“design for Quality”

圖七 SiC芯片結合和SiC功率模塊結構

圖八是硅基功率模塊和WBG功率模塊差異部分。它們的差異主要是集中在壽命測試相關(guān)的項目。

圖八 AQG324Si和SiC測試差異

下面我們將從功率循環(huán)、高溫反偏、高低溫反偏等幾個(gè)方面來(lái)展開(kāi)，看看在A(yíng)QG324測試中對SiC功率模塊的哪些方面進(jìn)行了測試，有哪些方面的挑戰

功率循環(huán)測試 Power Cycling 

這里有兩個(gè)條件一個(gè)是分鐘級別的一個(gè)是秒級的。我們可以從圖八的溫度曲線(xiàn)看出它們的差異。

圖九 PC_Sec Vs PC_Min

I. 在秒級的功率循環(huán)里，由于Ton和Toff的時(shí)間比較短，所以可以看到芯片的節溫會(huì )上升比較快，但是Tc也就是外殼的溫度上升比較緩慢，這樣的沖擊其實(shí)對于和芯片接觸的地方相對來(lái)說(shuō)會(huì )集中一些，也就是主要側重于測試芯片bonding和芯片與下面基板焊接的可靠性。

II. 在分鐘級別的功率循環(huán)里，由于開(kāi)關(guān)周期比較長(cháng)，所以Tc的變化會(huì )比較大，同時(shí)溫度也是以Tc為準，這樣的話(huà)對于基板和下面的散熱器的焊接處的沖擊相對會(huì )大一些，所以我們可以理解為它側重于測試基板和下面的散熱器的焊接性能。

這兩個(gè)功率循環(huán)的測試，對于Si和SiC來(lái)說(shuō)，是相似的，但是由于SiC可以承受更高的工作溫度，現在有不少的廠(chǎng)家在針對SiC的功率循環(huán)測試里把Tvjmax=200度也加到了測試條件里。安森美的SiC功率模塊新的也都有做一些針對性的測試。由于SiC芯片和IGBT芯片相比面積要小不少,所以熱阻也要大不少，在這里對于SiC芯片的互聯(lián)技術(shù)就提出了一定的挑戰，這里就包含了SiC的源極的互連，傳統的bonding線(xiàn)，它們的功率循環(huán)的次數和相同條件下的比如clip的焊接等方法比就要略差一些。

功率循環(huán)還有一個(gè)作用就是可以把生產(chǎn)工藝中的一些致命缺陷暴露出來(lái)，由于整個(gè)芯片是由成千上萬(wàn)個(gè)基礎的開(kāi)關(guān)單元構成的，這些單元中任一個(gè)單元如果有一些致命的缺陷，那么在功率循環(huán)中會(huì )加速它們的老化然后導致失效，從而導致整個(gè)功率循環(huán)次數降低。

圖十是節選自AQG324的一些典型的功率循環(huán)失效模式。從這里我們可以清晰的看到秒級功率循環(huán)導致的bonding線(xiàn)脫落，芯片的金屬層退化導致焊接質(zhì)量下降。分鐘級的功率循環(huán)導致的DBC裂痕等失效現象。

圖十典型的功率循環(huán)失效模式

High-temperature gate bias (HTGB)高溫柵極偏壓測試

由于SiC的Vgs在偏壓的條件下會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的累加而漂移，因此HTGB可以模擬加速條件下的工作狀態(tài)，用于芯片的可靠性驗證和門(mén)極的可靠性監測。并且可以發(fā)現由于生產(chǎn)過(guò)程中導致的一些材料污染。對于Si和SiC器件和模塊來(lái)說(shuō)HTGB都是強制要求的。

Dynamic gate stress (DGS)

室溫下的DGS測試對于SiC功率模塊來(lái)說(shuō)是必須的，現在這個(gè)測試的條件還在討論當中還沒(méi)有最終定稿。這個(gè)測試不僅僅涉及到芯片也涉及到模塊，因為現在的SiC功率模塊大多數都有多個(gè)SiC的芯片來(lái)并聯(lián)達到大電流的輸出能力，那么模塊的layout也會(huì )影響到芯片的Vgs,這也是為什么針對SiC功率模塊必須要考慮DGS測試。如果設計的不好，在動(dòng)態(tài)條件下SiC的Vgs會(huì )飄移同時(shí)也會(huì )導致Rdson增加進(jìn)而導致效率降低。

圖十一 Dynamic gate stress 

我們在圖十二可以看懂不同的失效模式，這些都可以通過(guò)HTGB和DGS測試發(fā)現。

圖十二各種HTGB失效模式

High-temperature reverse bias (HTRB)

可以很好的檢測出來(lái)芯片的鈍化層結構或者是芯片的終端結構的缺陷，同時(shí)生產(chǎn)中或者封裝材料里的有害的一些離子污染也可以通過(guò)這個(gè)測試發(fā)現，同時(shí)由于功率模塊的不同的材料間的溫度膨脹系數也會(huì )導致芯片的鈍化層完整性受到破壞，這個(gè)測試對于Si或者SiC來(lái)說(shuō)是相似的，但是對于SiC的模塊來(lái)說(shuō)動(dòng)態(tài)的反偏測試是強烈建議的。

1.1.1 Dynamic reverse bias (DRB)

DRB對于IGBT是不做要求的，需要注意的一點(diǎn)是對于DRB，如果在A(yíng)ECQ101沒(méi)有做過(guò)這個(gè)測試，那么在SiC的功率模塊是必須要做的。這個(gè)測試的目的是通過(guò)高dv/dt對內部鈍化層結構進(jìn)行充放電進(jìn)而使芯片加速老化。

圖十三Dynamic reverse bias

High-humidity, high-temperature reverse bias (H3TRB)

這個(gè)測試為了驗證整個(gè)模塊結構中的薄弱環(huán)節，包括功率半導體本身。大多數模塊設計很難做到完全密封。半導體芯片和接合線(xiàn)嵌入可滲透濕氣的硅膠中。這允許濕氣隨著(zhù)時(shí)間的推移也到達鈍化層。芯片鈍化層結構或鈍化拓撲結構中的弱點(diǎn)以及芯片邊緣密封中的弱點(diǎn)在濕度的影響下受到負載的不同影響。污染物也可以通過(guò)濕氣傳輸轉移到關(guān)鍵區域。從而導致失效。

對于 H3TRB是Si和SiC差別比較大的地方。 圖十四是針對SiC的H3TRB的測試條件。它和針對Si的IGBT的條件差別就是加在器件上的電壓不一樣。Si的要求是強制要求80V，而SiC則是必須80%的VDSmax。

圖十四 SiC H3TRB

圖十五我們可以看到在H3TRB測試中由于器件的設計或者模塊封裝原因導致的一些失效。也說(shuō)明這個(gè)測試是比較有效的可以發(fā)現edge terminal設計,封裝,鈍化層等等方面的缺陷。

圖十五 H3TRB缺陷

(dyn.H3TRB)

這個(gè)測試是專(zhuān)門(mén)針對SiC功率模塊的，該測試是SiC模塊技術(shù)的附加通用芯片可靠性測試。這個(gè)測試項目還沒(méi)最終定稿。由于SiC的dv/dt比IGBT等Si器件要高很多，所以針對這個(gè)高dv/dt條件下，芯片和模塊的薄弱環(huán)節是否能被檢測出來(lái)？這個(gè)標準還在探索中。當然即使是這樣，安森美最新的SiC功率模塊也都會(huì )進(jìn)行相關(guān)的測試。

圖十六 dyn.H3TRB

下面的兩項目前還在研究當中

High-temperature forward bias (HTFB)

Dynamic forward bias (DHTFB)

從上面的文章我們可以發(fā)現針對SiC功率模塊的測試標準還沒(méi)有定稿，還有一些項目沒(méi)有完全確定，這是因為SiC的應用和器件還在發(fā)展中。安森美作為一家垂直整合了整個(gè)SiC供應鏈的IDM，也在密切的關(guān)注和跟隨著(zhù)AQG324的發(fā)展，并在最新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應用它來(lái)保證自己的產(chǎn)品的可靠性。

通過(guò)上文的分析我們了解到了AQG324測試標準從各方面測試了SiC功率模塊的性能，里面涉及到芯片和封裝等，它是一個(gè)比較全面的測試。但是一個(gè)功率模塊通過(guò)AQG324的測試，僅僅代表了整個(gè)功率模塊的工藝等通過(guò)了基本的測試和驗證。整個(gè)模塊的可靠性是通過(guò)芯片研發(fā)、芯片工藝、模塊研發(fā)、模塊工藝、封裝和測試等一個(gè)完整體系的保證，不是簡(jiǎn)單的某一個(gè)步驟能保證的。

下面的兩個(gè)功率模塊是安森美前兩年量產(chǎn)的SiC功率模塊

圖十六是塑封半橋的SiC功率模塊，圖十七是SSDC的三相橋模塊。目前都已經(jīng)在各大車(chē)廠(chǎng)獲得了廣泛的應用。說(shuō)明了安森美的SiC功率模塊在經(jīng)過(guò)AQG324測試之后表現出來(lái)的質(zhì)量穩定性獲得了相關(guān)客戶(hù)的認可。

圖十七 半橋塑封SiC功率模塊

圖十八 三相橋SSDC 900V SiC功率模塊