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SiC Traction模組的可靠性基石AQG324
 

【作者: Bryan Lu】   2023年10月13日 星期五

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從基板到晶片,對於一個SiC功率元件來說只是完成一半的工作,剩下一半就是本文要分享的封裝。好的封裝才能把SiC的性能發揮出來,這次從AQG324這個測試標準的角度來看晶片和封裝的開發與驗證。


圖一是SSDC模組的剖面示意圖,圖二是整個SSDC模組的結構圖,從圖一和圖二可以發現這個用在主驅的功率模組還是比較複雜的,當中包含許多的零組件。如何保證這個SSDC功率模組能在汽車的應用環境下達到預期的工作壽命?



圖一 : SSDC模組剖面示意圖
圖一 : SSDC模組剖面示意圖

圖二 : SSDC模組的結構圖
圖二 : SSDC模組的結構圖

相信很多的汽車主驅相關的工程師和廣大行業從業人員都瞭解到,在汽車功率模組的開發過程中,由歐洲電力電子中心(European Center for Power Electronics)主導的測試標準AQG324非常重要,AQG324代表一個基於最佳實踐和卓越需求的行業指南。它是汽車功率模組的一個基本標準,亦即是個門檻,只有完成了根據它的測試規範設計的測試計畫,才能得到廣大的車廠認可。所以滿足AQG324只是一個基本的要求。由於它是一個行業標準不是強制性的,最終的決定權取決於最終的用戶。


安森美所有的汽車級SiC功率模組都是通過AQG324的測試規範,新研發的SiC功率模組則完全滿足最新的AQG324規範。AQG324目前最新版本是發佈於31.05.2021,這個版本新增一些針對SiC的內容,這一部分附加的部分針對SiC等三代半半導體,先前的測試規範則是針對矽基半導體。所以當前的絕大多數做車規功率模組的廠家也都需要研究這個測試規範。


為了方便理解封裝的測試開發,使用圖三的專案開發表為例,有助於理解整個模組的開發流程。



圖三 : 專案開發簡表
圖三 : 專案開發簡表

我們會發現在專案開始之後會做不同的DOE,還有不同的前期的驗證測試計畫,最後才開始正式的AQG324,實際的專案會遠比這個複雜,此處僅是一個簡單的示意圖。為什麼需要這些流程?AQG324都有哪些內容?


其實所有的前期驗證測試都是基於AQG324的測試標準針對特定的一些專案展開的,當這些專案都滿足要求之後,才會正式的開始製作B樣,並進行完整的AQG324測試,樣品通過測試之後能夠得到C樣,然後開始準備量產相關工作。


AQG324的測試專案與具體的測試條件和開發的模組等有關係,包括Si測試項。以下把AQG324大致展開來觀察一下,它都測試哪些內容,以及背後的邏輯。圖四是AQG324的架構,從這個AQG324的架構可以看出它背後的邏輯。



圖四 : AGQ324架購
圖四 : AGQ324架購

首先特性測試確保參加測試的模組的基本特性,建立一個特性參數的標準,用來和後面的一些壽命相關測試比對,作為失效的判斷標準。環境測試則側重於一些機械特性相關的測試;壽命測試則從各方面考核模組封裝以及晶片的可靠性,並且通過功率迴圈測試結合汽車廠商的任務輪廓(mission profile)可以計算出功率模組的壽命。此為AQG324的目的之一,通過一系列的測試來推算出功率模組的使用壽命。


圖五是平面結構的SiC結構示意圖以及SiC功率模組的結構示意圖。從圖五(a)可以看到晶片也是一層一層堆疊起來的,一般MOS的晶片差不多在15-20層之間。AQG324的壽命測試裏的HTGB,HTRB以及H3TRB和HTSL/LTS等主要是對SiC的晶片各層進行測試,而功率迴圈則是向前文所展開的那樣,對晶片和下面的陶瓷基板及散熱基板的連接部分進行測試。


其實測試只是最後的驗證考核的手段之一,整個專案從一開始,就要針對這些測試可能會照成的失效進行特定的設計。所以從晶片的研發、生產工藝以及模組的研發和製程都要針對AGQ324規劃,也就是我們常說的品質設計(design for Quality)。



圖五 : SiC晶片結合和SiC功率模組結構
圖五 : SiC晶片結合和SiC功率模組結構

圖六是矽基功率模組和WBG功率模組差異部分,它們的差異主要是集中在壽命測試相關的專案。



圖六 : AQG324Si和SiC測試差異
圖六 : AQG324Si和SiC測試差異

接下來,將從功率迴圈、高溫反偏、高低溫反偏等各方面來探討,看看在AQG324測試中對SiC功率模組的哪些方面進行測試,還有哪些方面的挑戰?


功率迴圈測試(Power Cycling )

功率迴圈測試有兩個條件,一個是分鐘級別的,另一個是秒級的,而從溫度曲線變化可以看出它們的差異。


1.在秒級的功率迴圈裏,由於Ton和Toff的時間比較短,晶片的節溫會上升比較快,但是Tc也就是外殼的溫度上升比較緩慢,這樣的衝擊其實對於和晶片接觸的地方相對來說會集中一些,亦即主要側重於測試晶片bonding和晶片與下面基板焊接的可靠性。


2.在分鐘級別的功率迴圈裏,由於開關週期比較長,所以Tc的變化會比較大,同時溫度也是以Tc為準,如此對於基板和下面的散熱器的焊接處的衝擊相對會大一些,所以可以理解為它側重於測試基板和下面的散熱器的焊接性能。


這兩個功率迴圈的測試,對於Si和SiC來說是相似的,但是由於SiC可以承受更高的工作溫度,現在有不少的廠家在針對SiC的功率迴圈測試條件裏,加入Tvjmax=200度。安森美新的SiC功率模組也都做了一些針對性的測試。


由於SiC晶片和IGBT晶片相比面積要小,所以熱阻也要大,在此對於SiC晶片的互聯技術就提出了一定的挑戰,包含SiC的源極互連,傳統的bonding線,它們的功率迴圈的次數和相同條件下的比如clip的焊接等方法相比略差一籌。


功率迴圈還有一個作用,就是可以暴露生產工藝中的一些致命缺陷,由於整個晶片是由成千上萬個基礎的開關單元構成的,這些單元中任一個單元如果有一些致命的缺陷,那麼在功率迴圈中會加速它們的老化然後導致失效,從而導致整個功率迴圈次數降低。


圖七是節選自AQG324的一些典型的功率迴圈失效模式。從圖中可以清晰的看到秒級功率迴圈導致的bonding線脫落,晶片的金屬層退化導致焊接品質下降,分鐘級的功率迴圈導致的DBC裂痕等失效現象。



圖七 : 典型的功率迴圈失效模式
圖七 : 典型的功率迴圈失效模式

高溫閘極偏壓測試(High-temperature gate bias;HTGB)

由於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,用於晶片的可靠性驗證和門極的可靠性監測;並且可以發現由於生產過程中導致的一些材料污染。對於Si和SiC元件和模組來說,HTGB都是強制要求的。


Dynamic gate stress(DGS)

室溫下的DGS測試對於SiC功率模組來說是必須的,現在這個測試的條件尚未有定論。這個測試不僅僅涉及到晶片也涉及到模組,因為現在的SiC功率模組大多數都有多個SiC的晶片來並聯達到大電流的輸出能力,那麼模組的layout也會影響到晶片的Vgs,這也是為什麼針對SiC功率模組必須要考慮DGS測試。如果設計的不好,在動態條件下SiC的Vgs會飄移,同時也會導致Rdson增加,進而導致效率降低。


在圖八可以看懂不同的失效模式,這些都可以通過HTGB和DGS測試發現。



圖八 : 各種HTGB失效模式
圖八 : 各種HTGB失效模式

High-temperature reverse bias(HTRB)

可以很好的檢測出來晶片的鈍化層結構,或者是晶片終端結構的缺陷,同時也可以通過這個測試發現生產中或封裝材料裏有害的一些離子污染,而由於功率模組的不同材料之間的溫度膨脹係數,也會導致晶片的鈍化層完整性遭受到破壞,這個測試對於Si或者SiC來說相似,但是對於SiC的模組來說動態的反偏測試則是強烈建議的。


Dynamic reverse bias(DRB)

DRB對於IGBT是不做要求的,需要注意的一點是對於DRB,如果在AECQ101沒有做過這個測試,那麼在SiC的功率模組必須要做。這個測試的目的是通過高dv/dt對內部鈍化層結構進行充放電,進而使晶片加速老化。


High-humidity, high-temperature reverse bias(H3TRB)

這個測試為了驗證整個模組結構中的薄弱環節,包括功率半導體本身。大多數模組設計很難做到完全密封,半導體晶片和接合線嵌入可滲透濕氣的矽膠中,這使得濕氣隨著時間的推移也到達鈍化層。晶片鈍化層結構或鈍化拓撲結構中的弱點,以及晶片邊緣密封中的弱點,在濕度的影響下受到負載的不同影響,污染物也可以通過濕氣傳輸轉移到關鍵區域,從而導致失效。


對於 H3TRB是Si和SiC差別比較大的地方。針對SiC的H3TRB的測試條件和針對Si的IGBT條件差別,就是加在元件上的電壓不一樣。Si的要求是強制要求80V,而SiC則是必須80%的VDSmax。


圖九可以看到在H3TRB測試中由於元件的設計或者模組封裝原因導致的一些失效,也說明這個測試是比較有效的,可以發現edge terminal設計、封裝、鈍化層等方面的缺陷。



圖九 : H3TRB缺陷
圖九 : H3TRB缺陷

dyn.H3TRB

這個測試專門針對SiC功率模組,該測試是SiC模組技術的附加通用晶片可靠性測試。這個測試專案未定。由於SiC的dv/dt比IGBT等Si元件要高很多,所以針對這個高dv/dt條件下,晶片和模組的薄弱環節是否能被檢測出來?這個標準正在探索中,而安森美最新的SiC功率模組會進行相關的測試。


從前文我們可以發現針對SiC功率模組的測試標準還沒有定論,而還有一些專案沒有完全確定,原因是SiC的應用和元件還在發展中。經過分析,我們瞭解到AQG324測試標準從各方面測試SiC功率模組的性能,其中涉及到晶片和封裝等,它是一個比較全面的測試。但是一個功率模組通過AQG324的測試,僅僅代表整個功率模組的工藝等通過基本的測試和驗證。整個模組的可靠性是通過晶片研發、晶片工藝、模組研發、模組工藝、封裝和測試等一個完整體系的保證,並不是簡單的某一個步驟所能保證的。


(本文作者Bryan Lu為安森美主驅功率模組產品線經理)


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