碳化硅功率器件可靠性测试方法详解

引     言

可靠性，是指产品在规定时间内和条件下完成规定功能的能力，是产品质量的重要指标，如果在规定时间内和条件下产品失去了规定的功能，则称之为产品失效或出现了故障。可靠性测试项目的科学性、合理性，抽样和试验的规范性以及严谨性，对产品的环境寿命和质量水平的评估、研发的改进升级、产品迭代以及客户导入和应用评估至关重要。

基本半导体碳化硅器件产品环境和寿命可靠性主要测试项目、条件及抽样和接收标准

基本半导体器件环境和寿命可靠性测试项目是根据不同产品类型、材料特性及客户潜在的应用环境等，并参考国内外权威标准（AEC-Q101、AQG324等），制定符合公司以及满足客户需求的测试项目和条件。目前公司器件环境和寿命主要可靠性测试项目包括HTRB、HTGB（MOSFET和IGBT）、HV-H3TRB、TC、AC、IOL等，试验前后都要进行电应力测试和物理外观确认，并按照车规级标准AEC-Q101的要求，每个可靠性项目都需要不同的3个批次，每个批次77pcs器件零失效通过测试，即表示该试验通过。

01HTRB

HTRB（High Temperature Reverse Bias）主要用于验证长期稳定情况下芯片的漏电流，考验对象是边缘结构和钝化层的弱点或退化效应。

HTRB是分立器件可靠性最重要的一个试验项目，其目的是暴露跟时间、应力相关的缺陷，这些缺陷通常是钝化层的可移动离子或温度驱动的杂质。半导体器件对杂质高度敏感，杂质在强电场作用下会呈现加速移动或扩散现象，最终将扩散至半导体内部导致失效。同样的晶片表面钝化层损坏后，杂质可能迁移到晶片内部导致失效。HTRB试验可以使这些失效加速呈现，排查出异常器件。

以碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

在测试中，需持续监测碳化硅MOSFET源极-漏极的漏电流。试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。

02HTGB

HTGB（High Temperature Gate Bias）是针对碳化硅MOSFET进行的最重要的可靠性项目，主要用于验证栅极漏电流的稳定性，考验对象是碳化硅MOSFET栅极氧化层。在高温环境下对栅极长期施加电压会促使栅极的性能加速老化，且碳化硅MOSFET的栅极长期承受正电压，或者负电压，其栅极阈值电压VGSth会发生漂移。

测试原理图如下：

在测试中，需持续监测碳化硅MOSFET栅极-漏极的漏电流，如果漏电流超过电源设定上限，则可以判定为失效。试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。

03HV-H3TRB

HV-H3TRB（High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias）主要用于测试温湿度对功率器件长期特性的影响。高湿环境是对分立器件的封装树脂材料及晶片表面钝化层的极大考验，树脂材料是挡不住水汽的，只能靠钝化层，3种应力的施加使早期的缺陷更容易暴露出来。

AEC-Q101中只有H3TRB这个类别，其缺点是反压过低，只有100V。基本半导体将标准提高，把反偏电压设置80%~100%的BV，称为HVH3TRB。

以碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

在测试中，需持续监测MOSFET源极-漏极的漏电流。试验前后都要电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。

04TC

TC（Temperature Cycling）测试主要用于验证器件封装结构和材料的完整性。

绑定线、焊接材料及树脂材料受到热应力均存在老化和失效的风险。温度循环测试把被测对象放入温箱中，温度在-55℃到150℃之间循环（H等级），这个过程是对封装材料施加热应力，评估器件内部各种不同材质在热胀冷缩作用下的界面完整性；此项目标准对碳化硅功率模块而言很苛刻。

以碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。

05AC

AC（Autoclave）测试主要用于验证器件封装结构密闭完整性。该测试是把被测对象放进高温高湿高气压的环境中，考验晶片钝化层的优良程度及树脂材料的性能。被测对象处于凝露高湿气氛中，且环境中气压较高，湿气能进入封装内部，可能出现分层、金属化腐蚀等缺陷。

以碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

试验前后都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。

06IOL

IOL（Intermittent Operational Life）测试是一种功率循环测试，将被测对象置于常温环境TC=25℃，通入电流使其自身发热结温上升，且使∆TJ≧100℃，等其自然冷却至环境温度，再通入电流使其结温上升，不断循环反复。此测试可使被测对象不同物质结合面产生应力，可发现绑定线与铝层的焊接面断裂、芯片表面与树脂材料的界面分层、绑定线与树脂材料的界面分层等缺陷。

以碳化硅MOSFET为例，测试原理图如下：

试验前后同样都要进行电应力测试，如器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效，并需检查封装外观是否发生异常。

07结    语

基本半导体的碳化硅功率器件产品在批量投入市场前都需要通过规定的可靠性测试，以确保每一款器件的性能长期稳定可靠。基本半导体配备了1500m2碳化硅功率器件工程实验室，专注于研发设计验证、新材料与实验技术应用、产品功能试验和可靠性试验，是功率半导体领域研发测试的综合实验室。

基本半导体将持续以零缺陷为目标，不断改进科学严格的质量控制方法，精进技术与产品质量，持续为光伏储能、电动汽车、轨道交通、工业控制、智能电网等行业客户提供更高性能、更可靠的产品和服务。

关于

基本半导体

深圳基本半导体有限公司是中国第三代半导体创新企业，专业从事碳化硅功率器件的研发与产业化。公司总部位于深圳，在北京、上海、南京、无锡、香港以及日本名古屋设有研发中心和制造基地。公司拥有一支国际化的研发团队，核心成员包括二十余位来自清华大学、中国科学院、英国剑桥大学、德国亚琛工业大学、瑞士联邦理工学院等国内外知名高校及研究机构的博士。

基本半导体掌握碳化硅核心技术，研发覆盖碳化硅功率半导体的材料制备、芯片设计、晶圆制造、封装测试、驱动应用等产业链关键环节，拥有知识产权两百余项，核心产品包括碳化硅二极管和MOSFET芯片、汽车级碳化硅功率模块、功率器件驱动芯片等，性能达到国际先进水平，服务于光伏储能、电动汽车、轨道交通、工业控制、智能电网等领域的全球数百家客户。

基本半导体承担了国家工信部、科技部及广东省、深圳市的数十项研发及产业化项目，与深圳清华大学研究院共建第三代半导体材料与器件研发中心，是国家5G中高频器件创新中心股东单位之一，获批中国科协产学研融合技术创新服务体系第三代半导体协同创新中心、广东省第三代半导体碳化硅功率器件工程技术研究中心。

审核编辑：汤梓红