IGBT如何進(jìn)行可靠性測試？

在當(dāng)今的半導(dǎo)體市場，公司成功的兩個重要因素是產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。而這兩者是相互關(guān)聯(lián)的，可靠性體現(xiàn)為在產(chǎn)品預(yù)期壽命內(nèi)的長期質(zhì)量表現(xiàn)。任何制造商要想維續(xù)經(jīng)營，必須確保產(chǎn)品達(dá)到或超過基本的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。安森美 (onsemi) 作為一家半導(dǎo)體供應(yīng)商，為高要求的應(yīng)用提供能在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的產(chǎn)品，且這些產(chǎn)品達(dá)到了高品質(zhì)和高可靠性。

人們認(rèn)識到，為實(shí)現(xiàn)有保證的質(zhì)量性能，最佳方式是摒棄以前的“通過測試確保質(zhì)量”方法，轉(zhuǎn)而擁抱新的“通過設(shè)計確保質(zhì)量”理念。在安森美，我們使用雙重方法來達(dá)到最終的質(zhì)量和可靠性水平。首先，我們開發(fā)并實(shí)施一套本質(zhì)上可靠的流程。然后，我們從開始到結(jié)束的每一步都一絲不茍地遵守流程規(guī)范。制定和實(shí)施相關(guān)的檢查和程序，以發(fā)現(xiàn)潛在的隱藏故障模式。正是這種對長期可靠性的執(zhí)著，最終鑄就出“理想產(chǎn)品”。

安森美通過制定保證質(zhì)量和可靠性的四步計劃，達(dá)到理想的IGBT產(chǎn)品可靠性：

1.嚴(yán)格的過程控制和檢查

2.徹底評估設(shè)計和材料

3.過程平均測試，包括 100% QA冗余測試

4.通過審核和可靠性研究進(jìn)行持續(xù)的可靠性驗(yàn)證

這些質(zhì)量和可靠性程序，再加上嚴(yán)格的進(jìn)貨檢驗(yàn)和出貨質(zhì)量控制檢驗(yàn)，使得產(chǎn)品從硅原料到交付服務(wù)的整個過程中都保證了質(zhì)量。

可靠性測試

安森美IGBT經(jīng)過一系列廣泛的可靠性測試以驗(yàn)證一致性。這些測試旨在加速實(shí)際應(yīng)用中遇到的故障機(jī)制，從而確保在“真實(shí)世界”應(yīng)用中獲得令人滿意的可靠性能。

下面介紹安森美的IGBT常規(guī)進(jìn)行的可靠性測試。

高溫反向偏置 (HTRB)

HTRB測試旨在檢查器件在高溫下主阻斷結(jié)處于“反向偏置”條件下的穩(wěn)定性，作為時間的函數(shù)。

對于在結(jié)上施加的給定溫度和電壓，一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性和漏電流可指出結(jié)表面的穩(wěn)定性。因此，它是器件質(zhì)量和可靠性的良好指標(biāo)。

對于IGBT，電壓施加在集電極和發(fā)射極之間，柵極與發(fā)射極短接。ICES、V(BR)CES、IGES、VGE(th) 和 VCE(on)是被監(jiān)測的直流參數(shù)。當(dāng)漏電流達(dá)到如此高的水平以至于功率耗散導(dǎo)致器件進(jìn)入熱失控時，就會發(fā)生故障。如果是穩(wěn)定的器件，漏電流應(yīng)保持相對恒定，在測試期間只會略有增加。

典型條件：

VCE = 最大額定值的 80?100%

VGE = 0 V（短路）

TA=150°C或Tj最大值

持續(xù)時間：1,000小時以滿足認(rèn)證要求

高溫柵極偏置 (HTGB)

HTGB測試的目的是在高溫下以最大額定直流偏置電壓對柵極氧化物施加電應(yīng)力。該測試旨在檢測由隨機(jī)氧化物缺陷和離子氧化物污染引起的漂移。

對于IGBT，電壓施加在柵極和發(fā)射極之間，集電極與發(fā)射極短接。IGES、VGE(th)和VCE(on)是被監(jiān)測的直流參數(shù)。任何氧化物缺陷都會導(dǎo)致早期器件故障。

典型條件：

VGE=±20V或100%額定 VGE

VCE=0（短路）

TJ=150°C或TJ最大值

持續(xù)時間：1,000小時以滿足認(rèn)證要求

高溫儲存壽命 (HTSL) 測試

HTSL測試旨在確定器件的穩(wěn)定性、承受高溫的潛力以及封裝的內(nèi)部制造完整性。盡管器件在現(xiàn)場不會暴露在如此極端的高溫下，但該測試的目的是加速在長期儲存溫度下可能發(fā)生的任何故障機(jī)制。

測試是通過將器件放在網(wǎng)籃中進(jìn)行的，然后將其放置在受控環(huán)境溫度下的高溫室中，作為時間的函數(shù)。

典型條件：

TA=150°C（塑料封裝上的溫度）

持續(xù)時間：1,000 小時以滿足認(rèn)證要求

高濕高溫反向偏置 (H3TRB)

H3TRB測試旨在確定零部件和組成材料對高溫/高濕環(huán)境中長期運(yùn)行的綜合劣化影響的抵抗力。該測試僅適用于非密封器件。

濕度一直是半導(dǎo)體的傳統(tǒng)影響因素，尤其是對于塑料封裝器件。大多數(shù)與濕氣相關(guān)的退化直接或間接地由濕氣滲透通過鈍化材料和表面腐蝕引起。在安森美，通過使用結(jié)“鈍化”工藝、芯片涂層和適當(dāng)選擇封裝材料，成功地解決和控制了這個問題。

典型條件：

VCE=最大額定值的80?100%

VGE=0（短路）

TA=85°C

RH=85%

持續(xù)時間：1,000 小時以滿足認(rèn)證要求

典型條件：

VGE≥10V

△TJ=100°C

RθJC=取決于器件

Ton,Toff≥30秒

持續(xù)時間：10,000?15,000次循環(huán)以滿足認(rèn)證要求

無偏高加速壓力測試 (UHAST)

UHAST旨在通過使器件承受高蒸汽壓力來確定器件的防潮性。該測試僅在塑料/環(huán)氧樹脂封裝器件上執(zhí)行，而不在氣密封裝（即金屬罐器件）上執(zhí)行。在測試室內(nèi)，設(shè)有一個托盤，將器件放置在離去離子水表面大約兩英寸的高度，以防止冷凝水在器件上聚集。在達(dá)到適當(dāng)?shù)臏囟群痛髿鈮毫螅@些測試條件將保持至少24小時。然后取出器件并風(fēng)干。通常監(jiān)測的參數(shù)是漏電流和電壓。

典型條件：

TA=131°C

P=14.7 psi

RH=100%

持續(xù)時間：72小時以滿足認(rèn)證要求

間歇性工作壽命 (IOL)

IOL測試的目的是通過開啟（器件由于功率耗散而被加熱）和關(guān)閉（器件由于去除施加的功率而被散熱），以模擬“現(xiàn)實(shí)世界”環(huán)境中通常遇到的操作模式，從而確定芯片和/或封裝組件的完整性。

直流電源被施加到器件，直到達(dá)到所需的功能溫度。然后關(guān)閉電源，并施加強(qiáng)制風(fēng)冷，直到結(jié)溫降至環(huán)境溫度。

(公式1)

（公式2）

（通常，這是一個加速條件）

（公式3）

該序列重復(fù)指定的循環(huán)次數(shù)。小心保持溫度偏移，以確保結(jié)果的可重復(fù)性。

間歇性工作壽命測試用于了解芯片與安裝表面之間以及芯片與引線接合界面之間的芯片接合界面的熱疲勞程度。

對于 IGBT，用于監(jiān)控性能的參數(shù)包括熱阻、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、柵極-發(fā)射極漏電流和集電極-發(fā)射極漏電流。

當(dāng)熱疲勞導(dǎo)致熱阻或?qū)娮柙黾映^制造商數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大值時，就會發(fā)生故障。

溫度循環(huán) (TC)

溫度循環(huán)測試的目的是確定器件對空氣介質(zhì)中高溫和低溫偏移的抵抗力以及在這些極端條件下循環(huán)的影響。

通過將器件交替放置在高溫和低溫的單獨(dú)腔室中來執(zhí)行測試。各腔室的空氣溫度通過空氣循環(huán)保持均勻。腔室具有足夠的熱容量，以便在將器件轉(zhuǎn)移到腔室后達(dá)到指定的環(huán)境溫度。

每個周期包括暴露在一個極端溫度下至少15分鐘，然后立即轉(zhuǎn)移到另一個極端溫度下至少15分鐘；這樣就完成了一個循環(huán)。請注意，這是極端溫度之間的立即轉(zhuǎn)移，因此對器件的壓力大于非立即轉(zhuǎn)移。

典型的極端條件：

?65/+150°C

循環(huán)次數(shù)可以與預(yù)期應(yīng)用環(huán)境的惡劣程度相關(guān)聯(lián)。業(yè)界普遍認(rèn)為，十個循環(huán)足以確定器件的質(zhì)量。溫度循環(huán)可以確定由于膨脹系數(shù)的差異在器件內(nèi)部的材料之間產(chǎn)生的任何過度應(yīng)變。

低溫儲存壽命 (LTSL) 測試

LTSL測試旨在確定器件的穩(wěn)定性、承受低溫的潛力以及封裝的內(nèi)部制造完整性。盡管器件在現(xiàn)場不會暴露在如此極端的低溫下，但該測試的目的是加速在長期儲存溫度下可能發(fā)生的任何故障機(jī)制。

典型條件：

TA=-65°C（塑料封裝上的溫度）

持續(xù)時間：1,000小時以滿足認(rèn)證要求

測試是通過將器件放在網(wǎng)籃中進(jìn)行的，然后將其放置在受控環(huán)境溫度下的高溫室中，作為時間的函數(shù)。

穩(wěn)態(tài)工作壽命 (SSOL) 測試

SSOL測試旨在確定芯片和/或封裝組件在穩(wěn)態(tài)連續(xù)工作壽命條件下的完整性。

對于IGBT，用于監(jiān)控性能的參數(shù)包括熱阻、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、柵極-發(fā)射極漏電流和集電極-發(fā)射極漏電流。

典型條件：

VGE≥10 V

△TJ=100°C

TA=25°C 持續(xù)時間：1,000小時以滿足認(rèn)證要求

當(dāng)熱疲勞導(dǎo)致熱阻或?qū)娮柙黾映^制造商數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大值時，就會發(fā)生故障。

圖1.IGBT晶圓制造

圖2.裝配工藝流程

環(huán)保封裝相關(guān)測試項(xiàng)目：

◎ 物理尺寸?執(zhí)行此測試以確定是否符合器件外形圖規(guī)格

◎ 目視和機(jī)械檢查?確定產(chǎn)品是否符合某些外觀和功能標(biāo)準(zhǔn)（例如標(biāo)記易讀性、污漬等）的測試

◎ 耐溶劑性?確定器件端子可焊性的測試

◎ 端子強(qiáng)度?此測試是引線彎曲測試，用于檢查引線強(qiáng)度

每個制造過程都呈現(xiàn)出質(zhì)量和可靠性的分布情況。必須控制這種分布，以確保高平均值、窄范圍和一致的分布形態(tài)。這可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和過程控制來實(shí)現(xiàn)，從而減少使用篩選程序來消除分布形態(tài)的下尾部分的需要。

加速壓力測試

本報告中的某些測試遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了器件在正常操作條件下所遇到的情況。因此，測試條件“加速”了所涉及的故障機(jī)制，并允許安森美能夠在比其他方式更短的時間內(nèi)預(yù)測故障率。與溫度相關(guān)的失效模式由Arrhenius模型表征。

（公式4）

AF=加速因子

EA=活化能 (eV)

K=波爾茲曼常數(shù) (8.62×10E?5eV/K)

T2=工作溫度，K

T1=測試溫度，K

因此，等效的器件小時數(shù)等于加速因子（由Arrhenius模型確定）乘以實(shí)際器件小時數(shù)。

數(shù)據(jù)審查

高溫反向偏置 (HTRB) 用于確定漏電流的穩(wěn)定性，這與IGBT的場畸變有關(guān)。HTRB 通過高溫反向偏置測試來增強(qiáng)故障機(jī)制，因此是器件質(zhì)量和可靠性的良好指標(biāo)，也可以驗(yàn)證過程控制的有效性。

高溫柵極偏置 (HTGB) 旨在檢查器件在經(jīng)加速的高溫下的“柵極偏置”正向條件下隨時間變化的穩(wěn)定性。執(zhí)行此測試以對柵極氧化物施加電應(yīng)力，以檢測由隨機(jī)氧化物缺陷引起的漂移。這種失效機(jī)制以非常低的缺陷率出現(xiàn)在可靠性“浴盆曲線”的早期和隨機(jī)期。

間歇性工作壽命 (IOL) 是一種出色的加速應(yīng)力測試，用于確定芯片和/或封裝組件在循環(huán)開啟（器件因功率耗散而被加熱）和循環(huán)關(guān)閉（器件因斷電而被散熱）時的完整性。這個測試可能是所有測試中最重要的一個，它模擬了“真實(shí)世界”環(huán)境中通常經(jīng)歷的情況。IOL 會測試芯片接合、引線接合、導(dǎo)通器件、關(guān)斷器件、關(guān)聯(lián)器件性能并驗(yàn)證所有材料的熱膨脹是否兼容。安森美執(zhí)行廣泛的 IOL 測試作為持續(xù)的過程控制監(jiān)測，該測試與整個“器件系統(tǒng)**”相關(guān)。安森美還對 Δ 函數(shù)溫度進(jìn)行廣泛的分析和比較。安森美已經(jīng)確定，為了有效地對器件施加壓力，Δ TJ為100°C是必要的，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了許多客戶應(yīng)用的要求，并決定了該器件的可靠性建模。

溫度循環(huán) (TC) 也是一項(xiàng)出色的壓力測試，用于確定器件在空氣介質(zhì)中對高溫和低溫偏移的抵抗力。IOL 從內(nèi)部對“器件系統(tǒng)”施加電應(yīng)力，而溫度循環(huán)從外部環(huán)境條件對“器件系統(tǒng)”施加熱應(yīng)力。

高溫儲存壽命 (HTSL)、高濕溫度反向偏置 (H3TRB)、熱沖擊 (TC) 和“壓力鍋”（高壓鍋）都是常規(guī)測試，而安森美可靠性工程認(rèn)為HTRB、HTGB、IOL和TC是最重要的測試。安森美已在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展多年，并將憑借持續(xù)的可靠性、質(zhì)量和客戶關(guān)系繼續(xù)立足發(fā)展。