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干貨!第三代半導體功率元件電性測量及故障分析全攻略

貞光科技 ? 2023-04-26 17:17 ? 次閱讀
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貞光科技從車規(guī)微處理器MCU、功率器件、電源管理芯片、信號處理芯片、存儲芯片、二、三極管、光耦、晶振、阻容感等汽車電子元器件為客戶提供全產(chǎn)業(yè)鏈供應解決方案。獲取更多方案或產(chǎn)品信息請聯(lián)系我們。

隨著新能源浪潮與全球節(jié)能減碳趨勢,汽車龍頭廠商將電動車(Electric Vehicle, EV)功能列入研發(fā)藍圖上。根據(jù)Yole的預測,從2021至2027年間,全球各類EV市場的平均年復合成長率(CAGR)可達21%,而在電動車的零件組成中,功率元件諸如DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器、逆變器等應用水漲船高,盡管目前這些功率元件的產(chǎn)值仍與成熟IC元件相差許多,但CAGR預期至2027年皆有雙位數(shù)的成長。以SiC 模塊為例,到了2027年,其產(chǎn)值可達44億美元,CAGR為38%(圖1),因此功率元件是未來各半導體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展重心之一。

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圖1 各類功率元件2021-2027年的營收與CAGR。

為滿足功率元件需求,廠商積極投入第三類半導體

第三類半導體是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬帶隙材料應用的半導體,相較于傳統(tǒng)由硅制作的功率元件,第三類半導體擁有較高的頻率與功率的操作范圍,能應用在許多高科技產(chǎn)業(yè)上,例如自駕車、5G/6G、太空、AI、量子高速運算、發(fā)電設施等等。

許多傳統(tǒng)功率元件廠商紛紛宣布2022年下半年投入SiC元件的生產(chǎn),為整體第三類半導體市場帶入更多的動力。圖2說明了由各類材料制造出的功率元件的操作頻率與功率范圍,并說明可應用的領(lǐng)域。

依照不同的應用情境選擇適用的元件種類和電壓應用范圍,圖3是針對不同電壓對元件所作的區(qū)分,現(xiàn)今車載功率元件的主流范圍在900V以下,此部份以傳統(tǒng)的Si和GaN MOSFET為主;而1200V以上的需求,則以鐵道或發(fā)電廠的應用為主,此操作便需要IGBT或SiC的元件了。

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圖3 各類型材料之功率元件的操作電壓。

功率元件全方位檢測分析三大步驟

隨著功率元件產(chǎn)值的提升,自然也帶動了分析檢測的需求。在故障分析的領(lǐng)域上,對元件結(jié)構(gòu)的了解、電性量測是入門的基本功,盡管功率元件的結(jié)構(gòu)較IC簡單,不過材質(zhì)與金屬連接的布局,卻是影響樣品制備、缺陷觀察的重要影響因子;電性量測方面,由于功率元件的特殊規(guī)格,無法使用一般的參數(shù)分析儀確認失效行為,因此需要高功率的量測儀器才能執(zhí)行。綜合以上考量,在全方案分析流程上,可簡易地歸納出以下三大步驟:

1.電性參數(shù)量測

IC的量測可以分為靜態(tài)測試與動態(tài)測試兩種,前者就是DC量測,open/short與leak Hi/Lo皆屬此類,在第三方分析實驗室皆可靠參數(shù)分析儀進行驗證,而缺陷的定位也是以靜態(tài)測試為主;動態(tài)測試即是功能測試,需要ATE或臺架測試(bench test)才能夠達成,不同種類的IC有不同的測試程式,一般第三方分析實驗室無此分析能量,故大多無法進行功能失效的全方案流程。功率元件由于結(jié)構(gòu)簡單,電性參數(shù)項目固定,市場上已有單一儀器可進行量測,電性參數(shù)在規(guī)格書定義得十分清楚,只要依照規(guī)格書的項目,便可逐一萃取各個項目值。首先電性參數(shù)需要量測,以600V的MOSFET為例,電性參數(shù)與說明如圖4;了解電性參數(shù)的定義后,即可在某參數(shù)異常時,推測是哪一結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題,擬定物性故障分析方案。

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圖4 600V MOSFET電性參數(shù)與定義說明。

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圖5 電容對電壓的關(guān)系圖。

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圖6 Vgs電壓對gate電荷的關(guān)系圖。

2.亮點定位

不論執(zhí)行何種半導體元件的亮點定位,主要以這三項工具:微光顯微鏡(PEM)、雷射致阻值變化偵測(OBIRCH)、熱影像分析儀(Thermal Emission Microscope, Thermal EMMI)。依電性故障行為與樣品結(jié)構(gòu)考量,選擇合適的定位儀器;從芯片的正面或背面?zhèn)蓽y亮點,則視樣品制備難易度而定。功率元件的結(jié)構(gòu)雖然簡單,但樣品制備的難度卻高于IC制程,原因在于功率元件芯片表面有一層厚厚的鋁,遮擋了亮點的觀察,不過在初步的亮點定位上,可優(yōu)先選擇使用Thermal EMMI,利用其熱傳導的特性,先進行第一次定位,待定位完成后,若需要更精細的范圍,再選擇其它的定位工具。

3.缺陷觀察

由于功率元件的結(jié)構(gòu)簡單,比如MOSFET或IGBT皆是許多cell以陣列的方式并聯(lián)排列,而單一明確的亮點即代表缺陷所在的位置,再加上由電性行為可以判斷漏電的路徑,對照結(jié)構(gòu)就可以推論出可能的物性故障現(xiàn)象,所以一般來說,亮點定位完成后直接進行截面的觀察是標準作業(yè)流程。對于功率元件來說,要進行截面的樣品制備并觀察缺陷的外貌,主要有兩種方式:一是聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB),另一種則是穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM),兩者的差別主要在于解析度差異,F(xiàn)IB可觀察燒熔、制程異常、外來物等較明顯可見的異狀,而TEM則可以觀察晶格缺陷。在第三類半導體的材料中,可能存在差排的晶格缺陷,若執(zhí)行FIB后未見明顯異常,可再轉(zhuǎn)做TEM觀察。

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圖8 GaN MOSFET以FIB和TEM觀察到的裂痕和差排。

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圖9 SiC MOSFET以TEM觀察到的差排。

若是因離子布植問題造成的漏電,上述兩種顯微鏡便無法派上用場,需要使用掃描式電容顯微鏡(Scanning Capacitance Microscopy, SCM)來觀察p-type與n-type攙雜的分布。濃度異常除了會造成電池泄漏,還會因為影響了電場分布,而導致?lián)舸┈F(xiàn)象所產(chǎn)生的大電流問題。綜觀以上,只要有適當?shù)姆治龉ぞ?,組合成既定的分析步驟,再整合電性特征與物性結(jié)構(gòu),便能有效地挖掘出故障的真因。隨著功率元件的應用愈發(fā)廣泛,相信此套分析流程,能夠協(xié)助功率元件廠商快速研發(fā)與提升量產(chǎn)良率。

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