SiC Traction模塊的可靠性基石AQG324

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發(fā)的一些特點(diǎn)和進(jìn)展。到這里大家對(duì)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(duì)于一個(gè)SiC功率器件來說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，這次我們會(huì)從AQG324這個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的角度來看芯片和封裝的開發(fā)與驗(yàn)證。

圖一是SSDC模塊的剖面示意圖，圖二是整個(gè)SSDC模塊的結(jié)構(gòu)圖，從圖一和圖二我們可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)用在主驅(qū)的功率模塊還是比較復(fù)雜的，里面包含了許多的零部件。我們?cè)趺幢ＷC這個(gè)SSDC功率模塊能在汽車的應(yīng)用環(huán)境下達(dá)到預(yù)期的工作壽命？

圖一SSDC模塊剖面示意圖

圖二SSDC模塊的結(jié)構(gòu)圖

相信很多的汽車主驅(qū)相關(guān)的工程師和廣大行業(yè)從業(yè)人員都了解到，汽車功率模塊的開發(fā)過程中有一個(gè)非常重要的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，這就是AQG324，它是歐洲電力電子中心（European Center for Power Electronics）主導(dǎo)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，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。它是汽車功率模塊的一個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)，也就是說是個(gè)門檻，只有完成了根據(jù)它的測(cè)試規(guī)范設(shè)計(jì)的測(cè)試計(jì)劃才能得到廣大的車廠認(rèn)可。所以滿足AQG324只是一個(gè)基本的要求。由于它是一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不是強(qiáng)制性的，最終的決定權(quán)取決于最終的用戶。安森美所有的汽車級(jí)SiC功率模塊都是通過了AQG324的測(cè)試規(guī)范。新研發(fā)的SiC功率模塊則完全滿足最新的AQG324規(guī)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(duì)SiC的內(nèi)容，這一部分附加的部分是針對(duì)SiC等三代半半導(dǎo)體的，前面的測(cè)試規(guī)范是針對(duì)硅基半導(dǎo)體。所以當(dāng)前的絕大多數(shù)做車規(guī)功率模塊的廠家都會(huì)也都要研究這個(gè)測(cè)試規(guī)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(guī)范兼容性

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

圖四項(xiàng)目開發(fā)簡(jiǎn)表

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在項(xiàng)目開始之后會(huì)做不同的DOE，還有不同的前期的驗(yàn)證測(cè)試計(jì)劃，最后才開始正式的AQG324，實(shí)際的項(xiàng)目會(huì)遠(yuǎn)比這個(gè)復(fù)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(nèi)容？

其實(shí)所有的前期驗(yàn)證測(cè)試都是基于AQG324的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)特定的一些項(xiàng)目展開的，當(dāng)這些項(xiàng)目都滿足要求之后才會(huì)正式的開始制作B樣，開始進(jìn)行完整的AQG324測(cè)試，樣品通過測(cè)試之后就能得到C樣，然后開始準(zhǔn)備量產(chǎn)相關(guān)工作。

圖五是AQG324里的模塊測(cè)試相關(guān)項(xiàng) 

圖五AQG324模塊測(cè)試相關(guān)項(xiàng)

最左邊一列可以說就是AQG324的測(cè)試項(xiàng)目，至于具體的測(cè)試條件和開發(fā)的模塊等有關(guān)系。這些都是Si的測(cè)試項(xiàng)。

下面把AQG324大致展開來看一下，它都測(cè)試哪些內(nèi)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(cè)試確保參加測(cè)試的模塊的基本特性，建立一個(gè)特性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，用來和后面的一些壽命相關(guān)測(cè)試比對(duì)，作為失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)境測(cè)試則側(cè)重于一些機(jī)械特性相關(guān)的測(cè)試。壽命測(cè)試則從各方面考核了模塊封裝以及芯片的可靠性，并且通過功率循環(huán)測(cè)試結(jié)合汽車廠商的路譜（mission profile）可以計(jì)算出功率模塊的壽命。這個(gè)就是AQG324的一個(gè)目的，通過一系列的測(cè)試來推算出功率模塊的使用壽命。 

圖七是平面結(jié)構(gòu)的SiC結(jié)構(gòu)示意圖以及SiC功率模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖七(a)可以看到芯片也是一層一層的堆疊起來的，一般MOS的芯片差不多在15-20層之間。AQG324的壽命測(cè)試?yán)锏腍TGB，HTRB以及H3TRB和HTSL/LTS等主要是對(duì)SiC的芯片各層進(jìn)行了測(cè)試，而功率循環(huán)則是向上文所展開的那樣對(duì)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(cè)試。其實(shí)測(cè)試只是最后的驗(yàn)證考核的手段之一，整個(gè)項(xiàng)目從一開始就要針對(duì)這些測(cè)試可能會(huì)照成的失效進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。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(duì)AGQ324來展開。這也就是我們常說的“design for Quality”

圖七 SiC芯片結(jié)合和SiC功率模塊結(jié)構(gòu)

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(cè)試相關(guān)的項(xiàng)目。

圖八 AQG324Si和SiC測(cè)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)方面來展開，看看在AQG324測(cè)試中對(duì)SiC功率模塊的哪些方面進(jìn)行了測(cè)試，有哪些方面的挑戰(zhàn)

功率循環(huán)測(cè)試 Power Cycling

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

圖九 PC_Sec Vs PC_Min

      I.         在秒級(jí)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(jié)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(duì)于和芯片接觸的地方相對(duì)來說會(huì)集中一些，也就是主要側(cè)重于測(cè)試芯片bonding和芯片與下面基板焊接的可靠性。

     II.         在分鐘級(jí)別的功率循環(huán)里，由于開關(guān)周期比較長(zhǎng)，所以Tc的變化會(huì)比較大，同時(shí)溫度也是以Tc為準(zhǔn)，這樣的話對(duì)于基板和下面的散熱器的焊接處的沖擊相對(duì)會(huì)大一些，所以我們可以理解為它側(cè)重于測(cè)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(cè)試，對(duì)于Si和SiC來說，是相似的，但是由于SiC可以承受更高的工作溫度，現(xiàn)在有不少的廠家在針對(duì)SiC的功率循環(huán)測(cè)試?yán)锇裈vjmax=200度也加到了測(cè)試條件里。安森美的SiC功率模塊新的也都有做一些針對(duì)性的測(cè)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(duì)于SiC芯片的互聯(lián)技術(shù)就提出了一定的挑戰(zhàn)，這里就包含了SiC的源極的互連，傳統(tǒng)的bonding線，它們的功率循環(huán)的次數(shù)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，由于整個(gè)芯片是由成千上萬個(gè)基礎(chǔ)的開關(guān)單元構(gòu)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(dǎo)致失效，從而導(dǎo)致整個(gè)功率循環(huán)次數(shù)降低。

圖十是節(jié)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(jí)功率循環(huán)導(dǎo)致的bonding線脫落，芯片的金屬層退化導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降。分鐘級(jí)的功率循環(huán)導(dǎo)致的DBC裂痕等失效現(xiàn)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(cè)試

由于SiC的Vgs在偏壓的條件下會(huì)隨著時(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(yàn)證和門極的可靠性監(jiān)測(cè)。并且可以發(fā)現(xiàn)由于生產(chǎn)過程中導(dǎo)致的一些材料污染。對(duì)于Si和SiC器件和模塊來說HTGB都是強(qiáng)制要求的。

Dynamic gate stress (DGS)

室溫下的DGS測(cè)試對(duì)于SiC功率模塊來說是必須的，現(xiàn)在這個(gè)測(cè)試的條件還在討論當(dāng)中還沒有最終定稿。這個(gè)測(cè)試不僅僅涉及到芯片也涉及到模塊，因?yàn)楝F(xiàn)在的SiC功率模塊大多數(shù)都有多個(gè)SiC的芯片來并聯(lián)達(dá)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(duì)SiC功率模塊必須要考慮DGS測(cè)試。如果設(shè)計(jì)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(dǎo)致Rdson增加進(jìn)而導(dǎo)致效率降低。

圖十一 Dynamic gate stress 

我們?cè)趫D十二可以看懂不同的失效模式，這些都可以通過HTGB和DGS測(cè)試發(fā)現(xiàn)。

圖十二各種HTGB失效模式

High-temperature reverse bias (HTRB)

可以很好的檢測(cè)出來芯片的鈍化層結(jié)構(gòu)或者是芯片的終端結(jié)構(gòu)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這個(gè)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，同時(shí)由于功率模塊的不同的材料間的溫度膨脹系數(shù)也會(huì)導(dǎo)致芯片的鈍化層完整性受到破壞，這個(gè)測(cè)試對(duì)于Si或者SiC來說是相似的，但是對(duì)于SiC的模塊來說動(dòng)態(tài)的反偏測(cè)試是強(qiáng)烈建議的。

1.1.1      Dynamic reverse bias (DRB)

DRB對(duì)于IGBT是不做要求的，需要注意的一點(diǎn)是對(duì)于DRB，如果在AECQ101沒有做過這個(gè)測(cè)試，那么在SiC的功率模塊是必須要做的。這個(gè)測(cè)試的目的是通過高dv/dt對(duì)內(nèi)部鈍化層結(jié)構(gòu)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(cè)試為了驗(yàn)證整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，包括功率半導(dǎo)體本身。大多數(shù)模塊設(shè)計(jì)很難做到完全密封。半導(dǎo)體芯片和接合線嵌入可滲透濕氣的硅膠中。這允許濕氣隨著時(shí)間的推移也到達(dá)鈍化層。芯片鈍化層結(jié)構(gòu)或鈍化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)載的不同影響。污染物也可以通過濕氣傳輸轉(zhuǎn)移到關(guān)鍵區(qū)域。從而導(dǎo)致失效。

對(duì)于 H³TRB是Si和SiC差別比較大的地方。 圖十四是針對(duì)SiC的H³TRB的測(cè)試條件。它和針對(duì)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(qiáng)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(cè)試中由于器件的設(shè)計(jì)或者模塊封裝原因?qū)е碌囊恍┦АＲ舱f明這個(gè)測(cè)試是比較有效的可以發(fā)現(xiàn)edge terminal設(shè)計(jì),封裝,鈍化層等等方面的缺陷。

圖十五 H³TRB缺陷

(dyn.H3TRB)

這個(gè)測(cè)試是專門針對(duì)SiC功率模塊的，該測(cè)試是SiC模塊技術(shù)的附加通用芯片可靠性測(cè)試。這個(gè)測(cè)試項(xiàng)目還沒最終定稿。由于SiC的dv/dt比IGBT等Si器件要高很多，所以針對(duì)這個(gè)高dv/dt條件下，芯片和模塊的薄弱環(huán)節(jié)是否能被檢測(cè)出來？這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還在探索中。當(dāng)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(cè)試。

圖十六 dyn.H3TRB 

下面的兩項(xiàng)目前還在研究當(dāng)中

High-temperature forward bias (HTFB)

Dynamic forward bias (DHTFB)

從上面的文章我們可以發(fā)現(xiàn)針對(duì)SiC功率模塊的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)還沒有定稿，還有一些項(xiàng)目沒有完全確定，這是因?yàn)镾iC的應(yīng)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(yīng)鏈的IDM，也在密切的關(guān)注和跟隨著AQG324的發(fā)展，并在最新的產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用它來保證自己的產(chǎn)品的可靠性。

通過上文的分析我們了解到了AQG324測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)從各方面測(cè)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(cè)試。但是一個(gè)功率模塊通過AQG324的測(cè)試，僅僅代表了整個(gè)功率模塊的工藝等通過了基本的測(cè)試和驗(yàn)證。整個(gè)模塊的可靠性是通過芯片研發(fā)、芯片工藝、模塊研發(fā)、模塊工藝、封裝和測(cè)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)在各大車廠獲得了廣泛的應(yīng)用。說明了安森美的SiC功率模塊在經(jīng)過AQG324測(cè)試之后表現(xiàn)出來的質(zhì)量穩(wěn)定性獲得了相關(guān)客戶的認(rèn)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

（注：本文登于EEPW 2023年11期）