從 MOSFET、二極管到功率模塊，功率半導(dǎo)體產(chǎn)品是生活中無(wú)數(shù)電子設(shè)備的核心。從醫(yī)療設(shè)備和可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施，到個(gè)人電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車 (EV)，它們的性能和可靠性確保了各種設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行。第三代寬禁帶(WBG)解決方案是半導(dǎo)體技術(shù)的前沿，如使用碳化硅(SiC)。與傳統(tǒng)的硅(Si)晶體管相比，SiC 的優(yōu)異物理特性使基于 SiC 的系統(tǒng)能夠在更小的外形尺寸內(nèi)顯著減少損耗并加快開(kāi)關(guān)速度。

由于 SiC 在市場(chǎng)上相對(duì)較新，一些工程師在尚未確定該技術(shù)可靠性水平之前，對(duì)從 Si 到 SiC 的轉(zhuǎn)換猶豫不決。但是，等待本身也會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn) —— 由于碳化硅可提高性能，推遲采用該技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致喪失市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。下面將探討 SiC 半導(dǎo)體產(chǎn)品如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高可靠性，以及 SiC 制造商為確保其解決方案能夠投放市場(chǎng)所付出的巨大努力，這些努力不僅提升了產(chǎn)品性能，還確保了卓越的可靠性。

碳化硅的特性及優(yōu)勢(shì)

碳化硅擁有獨(dú)特的物理特性，其晶圓具備堅(jiān)硬的纖鋅礦型原子結(jié)構(gòu)，對(duì)比硅的金剛石型原子結(jié)構(gòu)，這種差異造就了 SiC 諸多優(yōu)勢(shì)。在高溫環(huán)境下，SiC 展現(xiàn)出更高的機(jī)械穩(wěn)定性，擁有出色的熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)較低，禁帶更寬。層間禁帶寬度的增加使得半導(dǎo)體從絕緣到導(dǎo)電狀態(tài)的切換閾值變高，第三代半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)閾值在 2.3 電子伏特(eV)至 3.3 電子伏特(eV)之間，遠(yuǎn)高于第一代和第二代半導(dǎo)體的 0.6eV 至 1.5eV。性能方面，寬禁帶半導(dǎo)體擊穿電壓更高，對(duì)熱能敏感性更低。因此，相較于硅半導(dǎo)體，SiC 穩(wěn)定性更高、可靠性更強(qiáng)，能通過(guò)降低功率損耗提升效率，并且擁有更高的溫度閾值。

對(duì)于電子行業(yè)而言，SiC 的應(yīng)用可提升現(xiàn)有設(shè)計(jì)效率，助力電動(dòng)汽車和可再生能源轉(zhuǎn)換器向更高電壓發(fā)展。這將帶來(lái)一系列益處，如因相同功率下電流減小，可減少原材料和冷卻需求，縮小系統(tǒng)尺寸和重量，縮短電動(dòng)汽車充電時(shí)間等。對(duì)于直流快充、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)太陽(yáng)能逆變器等關(guān)鍵能源基礎(chǔ)設(shè)施中的元件來(lái)說(shuō)，確保其可靠性至關(guān)重要，畢竟從嚴(yán)重的停機(jī)維修，到品牌聲譽(yù)受損，甚至更廣泛的損害或傷害，都與這些元件的可靠性息息相關(guān)。

碳化硅產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

需求分析與設(shè)計(jì)階段

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)伊始，深入的需求分析不可或缺。需充分考量目標(biāo)市場(chǎng)、應(yīng)用場(chǎng)景以及客戶期望等因素。以電動(dòng)汽車應(yīng)用為例，要結(jié)合電動(dòng)汽車對(duì)功率密度、續(xù)航里程、充電速度等方面的要求，確定碳化硅器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如高電壓承受能力、低導(dǎo)通電阻、快速開(kāi)關(guān)速度等。依據(jù)這些需求，展開(kāi)針對(duì)性的設(shè)計(jì)工作，涵蓋芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路布局規(guī)劃以及封裝形式選擇等。在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需優(yōu)化漂移區(qū)厚度、摻雜濃度等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高耐壓和低電阻的平衡;電路布局要考慮信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力;封裝形式則需兼顧散熱性能、機(jī)械強(qiáng)度以及電氣絕緣性能等。

材料選擇與晶圓制備

材料的質(zhì)量對(duì)碳化硅產(chǎn)品性能起著決定性作用。優(yōu)質(zhì)的碳化硅襯底是基礎(chǔ)，其晶體缺陷密度、雜質(zhì)含量等指標(biāo)直接關(guān)乎最終產(chǎn)品的可靠性。目前主流的碳化硅襯底制備方法有物理氣相傳輸法(PVT)等，該方法在高溫、真空環(huán)境下，讓原料升華產(chǎn)生氣相物質(zhì)，在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下傳輸并在低溫區(qū)結(jié)晶生長(zhǎng)出碳化硅晶體。在這一過(guò)程中，精確控制溫度、壓力、氣流等參數(shù)是獲得高質(zhì)量、大尺寸碳化硅晶體的關(guān)鍵，微小的溫度波動(dòng)都可能引入晶體缺陷，影響產(chǎn)品性能。此外，對(duì)原材料純度要求極高，任何雜質(zhì)的存在都可能干擾晶體生長(zhǎng)，進(jìn)而影響產(chǎn)品性能。

芯片制造與工藝優(yōu)化

芯片制造環(huán)節(jié)包含多個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的工藝步驟。光刻工藝需將設(shè)計(jì)好的電路圖案精確轉(zhuǎn)移到晶圓表面，其精度直接決定芯片的性能和集成度;刻蝕工藝要精準(zhǔn)去除不需要的材料，形成特定的結(jié)構(gòu);摻雜工藝則通過(guò)引入特定雜質(zhì)，改變半導(dǎo)體的電學(xué)性能。每一步工藝都需要嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，如光刻中的曝光時(shí)間、刻蝕中的氣體流量和功率、摻雜中的雜質(zhì)濃度和注入能量等。并且，需不斷對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)等方法，研究不同工藝參數(shù)組合對(duì)芯片性能的影響，找到最優(yōu)工藝條件，以提升芯片的一致性和可靠性。

碳化硅產(chǎn)品制造過(guò)程

生產(chǎn)設(shè)備與環(huán)境控制

碳化硅產(chǎn)品制造對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求嚴(yán)苛。高溫、高真空設(shè)備在晶體生長(zhǎng)、芯片制造等環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備的性能和穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)備的溫度控制精度需達(dá)到極高水平，以確保晶體生長(zhǎng)過(guò)程的穩(wěn)定性;真空度的維持也至關(guān)重要，微小的漏氣都可能引入雜質(zhì)，影響產(chǎn)品性能。同時(shí)，生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度要求極高，需嚴(yán)格控制塵埃粒子、微生物等污染物。通過(guò)建立超凈車間，采用空氣過(guò)濾系統(tǒng)、靜電消除設(shè)備等措施，為產(chǎn)品制造提供潔凈、穩(wěn)定的環(huán)境，降低外界因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的干擾。

質(zhì)量檢測(cè)與監(jiān)控體系

在制造過(guò)程中，構(gòu)建全面、嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)與監(jiān)控體系是確保產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。從原材料入廠檢驗(yàn)，到生產(chǎn)過(guò)程中的在線檢測(cè)，再到成品的最終測(cè)試，每個(gè)環(huán)節(jié)都需進(jìn)行嚴(yán)格把控。針對(duì)原材料，要檢測(cè)其純度、晶體結(jié)構(gòu)等指標(biāo);生產(chǎn)過(guò)程中，利用各種先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備，如掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)等，對(duì)芯片的微觀結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)分布等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);成品測(cè)試則涵蓋電氣性能測(cè)試、可靠性測(cè)試等多個(gè)方面。通過(guò)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)等手段，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的異常波動(dòng)，采取相應(yīng)糾正措施，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

碳化硅產(chǎn)品可靠性測(cè)試

可靠性測(cè)試的重要性

可靠性測(cè)試旨在評(píng)估產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和條件下完成規(guī)定功能的能力，是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于碳化硅產(chǎn)品，由于其常應(yīng)用于高要求場(chǎng)景，如電動(dòng)汽車、能源基礎(chǔ)設(shè)施等，一旦產(chǎn)品在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障，可能引發(fā)嚴(yán)重后果。因此，可靠性測(cè)試至關(guān)重要，它能提前暴露產(chǎn)品潛在問(wèn)題，為產(chǎn)品改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)，確保產(chǎn)品在實(shí)際使用中具備穩(wěn)定、可靠的性能，提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，保障消費(fèi)者權(quán)益。

常見(jiàn)的可靠性測(cè)試項(xiàng)目

高溫反偏測(cè)試(HTRB)：主要用于驗(yàn)證長(zhǎng)期穩(wěn)定情況下芯片的漏電流，考驗(yàn)對(duì)象是邊緣結(jié)構(gòu)和鈍化層的弱點(diǎn)或退化效應(yīng)。該測(cè)試可暴露與時(shí)間、應(yīng)力相關(guān)的缺陷，如鈍化層中可移動(dòng)離子或溫度驅(qū)動(dòng)的雜質(zhì)。在測(cè)試中，需持續(xù)監(jiān)測(cè)碳化硅 MOSFET 源極 - 漏極的漏電流，試驗(yàn)前后都要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試，若器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。

高溫柵極偏壓測(cè)試(HTGB)：針對(duì)碳化硅 MOSFET 進(jìn)行的關(guān)鍵可靠性項(xiàng)目，用于驗(yàn)證柵極漏電流的穩(wěn)定性，考驗(yàn)對(duì)象是碳化硅 MOSFET 柵極氧化層。在高溫環(huán)境下對(duì)柵極長(zhǎng)期施加電壓會(huì)加速柵極性能老化，導(dǎo)致柵極閾值電壓 VGSth 發(fā)生漂移。測(cè)試時(shí)，需持續(xù)監(jiān)測(cè)碳化硅 MOSFET 柵極 - 漏極的漏電流，若漏電流超過(guò)電源設(shè)定上限，則判定為失效，試驗(yàn)前后同樣要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試。

溫濕度偏壓測(cè)試(HV - H3TRB)：用于測(cè)試溫濕度對(duì)功率器件長(zhǎng)期特性的影響。高濕環(huán)境對(duì)分立器件的封裝樹(shù)脂材料及晶片表面鈍化層是極大考驗(yàn)，通過(guò)施加高溫、高濕、高反偏電壓，使早期缺陷更容易暴露。測(cè)試過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè) MOSFET 源極 - 漏極的漏電流，試驗(yàn)前后進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試，依據(jù)器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果判斷是否失效。

溫度循環(huán)測(cè)試(TC)：驗(yàn)證器件封裝結(jié)構(gòu)和材料的完整性。綁定線、焊接材料及樹(shù)脂材料在溫度循環(huán)過(guò)程中，受冷熱交替的熱應(yīng)力作用，存在老化和失效風(fēng)險(xiǎn)。將被測(cè)對(duì)象放入溫箱，溫度在 - 55℃到 150℃之間循環(huán)(H 等級(jí))，評(píng)估器件內(nèi)部各種不同材質(zhì)在熱脹冷縮作用下的界面完整性，試驗(yàn)前后進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試并檢查封裝外觀是否異常。

高壓蒸煮測(cè)試(AC)：驗(yàn)證器件封裝結(jié)構(gòu)密閉完整性。把被測(cè)對(duì)象放進(jìn)高溫高濕高氣壓環(huán)境中，考驗(yàn)晶片鈍化層及樹(shù)脂材料性能。在凝露高濕、高氣壓環(huán)境下，濕氣可能進(jìn)入封裝內(nèi)部，引發(fā)分層、金屬化腐蝕等缺陷。試驗(yàn)前后進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試并檢查封裝外觀，判斷器件是否失效。

間歇工作壽命測(cè)試(IOL)：一種功率循環(huán)測(cè)試，將被測(cè)對(duì)象置于常溫環(huán)境(TC = 25℃)，通入電流使其自身發(fā)熱結(jié)溫上升，且使?TJ≧100℃，自然冷卻至環(huán)境溫度后再次通入電流使結(jié)溫上升，不斷循環(huán)。該測(cè)試可使被測(cè)對(duì)象不同物質(zhì)結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)綁定線與鋁層焊接面斷裂、芯片表面與樹(shù)脂材料界面分層、綁定線與樹(shù)脂材料界面分層等缺陷，同樣在試驗(yàn)前后進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試及封裝外觀檢查。

結(jié)語(yǔ)

碳化硅產(chǎn)品憑借其卓越的性能優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，要將這種潛力轉(zhuǎn)化為實(shí)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，確保產(chǎn)品上市前的可靠性至關(guān)重要。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拈_(kāi)發(fā)流程，從需求分析到芯片制造工藝優(yōu)化;嚴(yán)格的制造過(guò)程管控，涵蓋設(shè)備與環(huán)境控制以及質(zhì)量檢測(cè)體系;以及全面、科學(xué)的可靠性測(cè)試，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全方位的驗(yàn)證和改進(jìn)，才能使碳化硅產(chǎn)品在復(fù)雜、高要求的應(yīng)用場(chǎng)景中穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐，推動(dòng)電子行業(yè)邁向新的發(fā)展階段。