如何实现高质量功率芯片

描述

功率器件负重前行

IGBT 是应用最广泛的可控功率电子开关,一个200A 1200V的IGBT4芯片只有指甲大小。你能想象吗?它可以每个周期快速关断600安培的电流,电流密度高达300安培每平方厘米!这个耐压1200V的IGBT芯片只有纸张的厚度,可以想象围绕芯片的物理界面的机械应力会有多大。

在承受高压大电流的同时,功率器件还要面临复杂的工作环境,高温、高湿、高海拔、宇宙射线等问题无一不制约着功率器件的寿命和可靠性。这样,一颗足够强壮的功率芯片就是实现低故障率的重中之重。

客观认为:

如何来评估一颗功率器件的可靠性?这就要用到FIT和MTBF概念。

FIT率是英文Failures In Time的缩写,从其字面意思可知,它是以时间维度来表述失效率的,英飞凌每一款功率器件都可以提供FIT率报告。

以IKW25N120H3 25A/1200V IGBT为例,它的FIT率仅0.75ppm(百万分之一),MTBF(平均无故障时间)达到了1,333,333,333小时,也就是说一万颗管子在一起工作15年,才可能会有一颗管子出现故障,这真的是一个很惊人的数字。

(什么是FIT率?请参考如何理解FIT和MTBF)

英飞凌是如何实现如此低的故障率,

持续生产出高质量的芯片呢?

让我们一起来继续探索吧!

品质设计

产品是设计出来的,产品质量也是设计出来的!一枚高质量功率芯片始于设计之初的工程蓝图。根据目标应用的寿命需求,我们设计合理的芯片结构与工艺参数,使得电气性要满足应用需求,而且器件的长期可靠性及寿命也要满足应用需求。

举个例子,海上风电运行寿命是25年,而且还要应对不同的风速变化情况与恶劣的工作环境。而变流器的核心—功率器件的寿命,势必要在25年之上。为了应对这一挑战,英飞凌IGBT5芯片优化了结构,并且给芯片表面敷铜,封装上采用高性能.XT技术,大大提升器件功率循环寿命。

对于有些应用,比如家用电器,它面临的工作环境和寿命要求就和海上风电完全不同,功率器件的质量设计思路也必须要有所差异。设计之初的差异化,是实现质量精准控制的第一步。

来料控制

晶圆的制造需要高纯度的硅片,以及高纯度的气体、化学试剂等。英飞凌会对来料进行认证检测确保符合生产要求。

举个例子,现在的NPT及FS型IGBT芯片使用高纯度的区熔单晶(FZ)。掺杂浓度的均匀性对功率器件是非常重要的。如果在晶片中存在掺杂浓度(或局部缺陷)的变化,电流可能分布不均匀,特别是在雪崩击穿时,这可能造成局部过热和器件损坏。英飞凌会对来料进行严格的认证检测确保符合生产要求。

生产流程

晶圆的生产类似搭积木,需要经过反复的循环步骤,才能制造出最终产品。

举个例子,英飞凌绝大部分的IGBT和所有的SiC MOSFET均使用沟槽栅结构,然而要在坚硬的Si或者SiC表面刻蚀出表面光滑的沟槽并不是一件容易的事,尤其是SiC的莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),在SiC表面刻槽更是难上加难。因此,沟槽栅的设计-制造环节须历经长期技术沉淀。通过酸腐蚀工艺制备沟槽时,须对沟槽的宽度和深度实现精确控制。同时,IGBT 沟槽底部的倒角需要非常圆润光滑,以免影响器件耐压。而沟槽形貌与设备条件、刻蚀工艺和后处理有着十分紧密的联系。

下面是IGBT7的剖面图,从纵向结构看,一个IGBT有多个层次,例如金属层、栅极氧化层、多晶硅层、N+发射极、P基区、N-漂移区、N缓冲层、P+集电极区等等。

功率芯片

为了形成这些层次,IGBT需要经过多次离子注入、退火、清洗等工艺,一个Wafer要在设备间循环往复数百次,才能得到最终的晶圆产品,每一步的工艺控制都对成品率及可靠性有重要影响。

对于生产的每一步骤,英飞凌都采用统计制程控制,确保每道制程的产出都在正常范围之内才会进行下一道工序的生产。例如检查晶圆不同区域沉积层的厚度,当有异常情况就需要停止生产直至找出根因才会继续。

缺陷筛查

缺陷筛查在芯片生产过程中尤为关键。微结构的晶圆对极小的灰尘颗粒敏感,因为它们会影响电路并造成失效。因此芯片生产车间提出了百级洁净度的要求,所谓“百级”洁净,即每立方英尺的空气中≥0.5微米粒径的粒子数量不超过100个,堪比最高洁净等级手术室的标准。要达到如此高的洁净度标准,除了复杂的空气净化措施之外,最重要的就是控制人员进入!是的,人体就是芯片工艺车间里最大的污染源。为了提高自动化程度,减少人员使用,英飞凌大量使用机器人。英飞凌位于奥地利维拉赫的新半导体工厂耗资16亿元,占地6万平方米,大约有8个足球场那么大,但由于采用了高度自动化技术,整个工厂只需要10名工人就能维持运营!每个工人的产值有多高!

另外,材料的固有缺陷也会影响最终的成品率。举个例子,在双极性运行(PN结,比如MOSFET的体二极管,在导电时)条件下,任何类型的SiC器件都可能出现双极退化效应。这种效应主要是由SiC晶体上早先存在的基底面位错(BPD)触发的。它可能导致芯片的有效有源区域缩小,二极管通态压降逐渐增加。但是,我们可以采取优化的芯片生产工艺抑制这一缺陷,以及在芯片出厂之前执行有效的筛查措施,确保交付给客户的产品拥有稳定的性能。

功率芯片

这是一项极其挑战的任务,因为它就好像是在足球场里找出散落的图钉。但是为了最终的极限品质,英飞凌愿意克服困难,来执行100%的缺陷扫描,将有缺陷的产品筛选出来。

可靠性验证

功率芯片要通过多重的可靠性的考验才能最终上市。这些考验包括HTRB,HTGB,PC,TC等等,下面是你能在官网上看到的,英飞凌依据JEDEC标准,出具的可靠性报告中部分条目:

功率芯片

IMW120R045M1 1200V 45mohm SiC MOSFET质量报告中的电参数部分

但英飞凌不会满足于此,我们真正执行的可靠性实验标准远超JEDEC。如下图所示,是你看不见的,CoolSiC MOSFET默默执行的实验标准。HTRB和HTGB(即HTGS)的合格应力时间为1000小时,但英飞凌实际测试的时长是2000小时,是标准时间的2倍!而且,动态应力试验很重要,因为它们可能触发在遵循标准的静态试验中观察不到的失效机制,所以我们做了很多JEDEC标准里并没有列出来的实验,如动态H3TRB和动态反向偏压(DRB)。而这些试验中都未发现任何系统的寿命终期失效机制。

功率芯片

采用TO247封装的、1200V电压等级的CoolSiC MOSFET实际进行的可靠性试验

最终测试

生产环节的收尾工序便是最终测试环节。我们可以按照规格来测试,但是这足够吗?英飞凌的研究发现,如果是偏离主流分布的产品,最终失效的概率可能会比处于主流分布区间之内的高1000倍,因此英飞凌设定按照测试分布6σ来划分上下限,以确保最终出货的高品质。

因此,你看到的数据,实际上有留有很大余量的。举个例子,FF600R12ME4 600A 1200V 数据手册中标称的漏电流最大值ICES 3mA, 然而实测一下会发现,FF600R12ME4 在1200V下的漏电流仅是uA量级。

  审核编辑:汤梓红
 
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