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，這次我們會從AQG324這個測試標(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。我們怎么保證這個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)過程中有一個非常重要的測試標(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)的測試標(biāo)準(zhǔn)，AQG 324代表了一個基于最佳實(shí)踐和卓越需求的行業(yè)指南。它是汽車功率模塊的一個基本標(biāo)準(zhǔn)，也就是說是個門檻，只有完成了根據(jù)它的測試規(guī)范設(shè)計的測試計劃才能得到廣大的車廠認(rèn)可。所以滿足AQG324只是一個基本的要求。由于它是一個行業(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SiC功率模塊都是通過了AQG324的測試規(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，這個版本比之前的多了一些針對SiC的內(nèi)容，這一部分附加的部分是針對SiC等三代半半導(dǎo)體的，前面的測試規(guī)范是針對硅基半導(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也都要研究這個測試規(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試開發(fā)，用圖四的項(xiàng)目開發(fā)表為例子，這樣會有助于理解整個模塊的開發(fā)流程。

圖四項(xiàng)目開發(fā)簡表

我們會發(fā)現(xiàn)在項(xiàng)目開始之后會做不同的DOE，還有不同的前期的驗(yàn)證測試計劃，最后才開始正式的AQG324，實(shí)際的項(xiàng)目會遠(yuǎn)比這個復(fù)雜，這里僅僅是一個簡單的示意。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)證測試都是基于AQG324的測試標(biāo)準(zhǔn)針對特定的一些項(xiàng)目展開的，當(dāng)這些項(xiàng)目都滿足要求之后才會正式的開始制作B樣，開始進(jìn)行完整的AQG324測試，樣品通過測試之后就能得到C樣，然后開始準(zhǔn)備量產(chǎn)相關(guān)工作。

圖五是AQG324里的模塊測試相關(guān)項(xiàng) 

圖五AQG324模塊測試相關(guān)項(xiàng)

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

下面把AQG324大致展開來看一下，它都測試哪些內(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，建立一個特性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，用來和后面的一些壽命相關(guān)測試比對，作為失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)境測試則側(cè)重于一些機(jī)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，并且通過功率循環(huán)測試結(jié)合汽車廠商的路譜（mission profile）可以計算出功率模塊的壽命。這個就是AQG324的一個目的，通過一系列的測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的壽命測試?yán)锏腍TGB，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(yàn)證考核的手段之一，整個項(xiàng)目從一開始就要針對這些測試可能會照成的失效進(jìn)行有針對性的設(shè)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試相關(guān)的項(xiàng)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、高低溫反偏等幾個方面來展開，看看在AQG324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(zhàn)

功率循環(huán)測試 Power Cycling

這里有兩個條件一個是分鐘級別的一個是秒級的。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.         在秒級的功率循環(huán)里，由于Ton和Toff的時間比較短，所以可以看到芯片的節(jié)溫會上升比較快，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說會集中一些，也就是主要側(cè)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，由于開關(guān)周期比較長，所以Tc的變化會比較大，同時溫度也是以Tc為準(zhǔn)，這樣的話對于基板和下面的散熱器的焊接處的沖擊相對會大一些，所以我們可以理解為它側(cè)重于測試基板和下面的散熱器的焊接性能。

這兩個功率循環(huán)的測試，對于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SiC的功率循環(huán)測試?yán)锇裈vjmax=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(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，由于整個芯片是由成千上萬個基礎(chǔ)的開關(guān)單元構(gòu)成的，這些單元中任一個單元如果有一些致命的缺陷，那么在功率循環(huán)中會加速它們的老化然后導(dǎo)致失效，從而導(dǎo)致整個功率循環(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)高溫柵極偏壓測試

由于SiC的Vgs在偏壓的條件下會隨著時間的累加而漂移，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。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測試對于SiC功率模塊來說是必須的，現(xiàn)在這個測試的條件還在討論當(dāng)中還沒有最終定稿。這個測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(shè)計的不好，在動態(tài)條件下SiC的Vgs會飄移同時也會導(dǎo)致Rdson增加進(jìn)而導(dǎo)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HTGB和DGS測試發(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測試發(fā)現(xiàn)，同時由于功率模塊的不同的材料間的溫度膨脹系數(shù)也會導(dǎo)致芯片的鈍化層完整性受到破壞，這個測試對于Si或者SiC來說是相似的，但是對于SiC的模塊來說動態(tài)的反偏測試是強(qiáng)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AECQ101沒有做過這個測試，那么在SiC的功率模塊是必須要做的。這個測試的目的是通過高dv/dt對內(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)

這個測試為了驗(yàn)證整個模塊結(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(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測試中由于器件的設(shè)計或者模塊封裝原因?qū)е碌囊恍┦?。也說明這個測試是比較有效的可以發(fā)現(xiàn)edge terminal設(shè)計,封裝,鈍化層等等方面的缺陷。

圖十五 H³TRB缺陷

(dyn.H3TRB)

這個測試是專門針對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。這個測試項(xiàng)目還沒最終定稿。由于SiC的dv/dt比IGBT等Si器件要高很多，所以針對這個高dv/dt條件下，芯片和模塊的薄弱環(huán)節(jié)是否能被檢測出來？這個標(biāo)準(zhǔn)還在探索中。當(dāng)然即使是這樣，安森美最新的SiC功率模塊也都會進(jìn)行相關(guān)的測試。

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SiC功率模塊的測試標(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測試標(biāo)準(zhǔn)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，它是一個比較全面的測試。但是一個功率模塊通過AQG324的測試，僅僅代表了整個功率模塊的工藝等通過了基本的測試和驗(yàn)證。整個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、封裝和測試等一個完整體系的保證，不是簡單的某一個步驟能保證的。

下面的兩個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）