IGBT如何進(jìn)行可靠性測試？

在當今的半導體市場(chǎng)，公司成功的兩個(gè)重要因素是產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。而這兩者是相互關(guān)聯(lián)的，可靠性體現為在產(chǎn)品預期壽命內的長(cháng)期質(zhì)量表現。任何制造商要想維續經(jīng)營(yíng)，必須確保產(chǎn)品達到或超過(guò)基本的質(zhì)量標準和可靠性標準。安森美 (onsemi) 作為一家半導體供應商，為高要求的應用提供能在惡劣環(huán)境下運行的產(chǎn)品，且這些產(chǎn)品達到了高品質(zhì)和高可靠性。

人們認識到，為實(shí)現有保證的質(zhì)量性能，最佳方式是摒棄以前的“通過(guò)測試確保質(zhì)量”方法，轉而擁抱新的“通過(guò)設計確保質(zhì)量”理念。在安森美，我們使用雙重方法來(lái)達到最終的質(zhì)量和可靠性水平。首先，我們開(kāi)發(fā)并實(shí)施一套本質(zhì)上可靠的流程。然后，我們從開(kāi)始到結束的每一步都一絲不茍地遵守流程規范。制定和實(shí)施相關(guān)的檢查和程序，以發(fā)現潛在的隱藏故障模式。正是這種對長(cháng)期可靠性的執著(zhù)，最終鑄就出“理想產(chǎn)品”。

安森美通過(guò)制定保證質(zhì)量和可靠性的四步計劃，達到理想的IGBT產(chǎn)品可靠性：

1.嚴格的過(guò)程控制和檢查

2.徹底評估設計和材料

3.過(guò)程平均測試，包括 100% QA冗余測試

4.通過(guò)審核和可靠性研究進(jìn)行持續的可靠性驗證

這些質(zhì)量和可靠性程序，再加上嚴格的進(jìn)貨檢驗和出貨質(zhì)量控制檢驗，使得產(chǎn)品從硅原料到交付服務(wù)的整個(gè)過(guò)程中都保證了質(zhì)量。

可靠性測試

安森美IGBT經(jīng)過(guò)一系列廣泛的可靠性測試以驗證一致性。這些測試旨在加速實(shí)際應用中遇到的故障機制，從而確保在“真實(shí)世界”應用中獲得令人滿(mǎn)意的可靠性能。

下面介紹安森美的IGBT常規進(jìn)行的可靠性測試。

高溫反向偏置 (HTRB)

HTRB測試旨在檢查器件在高溫下主阻斷結處于“反向偏置”條件下的穩定性，作為時(shí)間的函數。

對于在結上施加的給定溫度和電壓，一段時(shí)間內的穩定性和漏電流可指出結表面的穩定性。因此，它是器件質(zhì)量和可靠性的良好指標。

對于IGBT，電壓施加在集電極和發(fā)射極之間，柵極與發(fā)射極短接。ICES、V(BR)CES、IGES、VGE(th) 和 VCE(on)是被監測的直流參數。當漏電流達到如此高的水平以至于功率耗散導致器件進(jìn)入熱失控時(shí)，就會(huì )發(fā)生故障。如果是穩定的器件，漏電流應保持相對恒定，在測試期間只會(huì )略有增加。

典型條件：

VCE = 最大額定值的 80?100%

VGE = 0 V（短路）

TA=150°C或Tj最大值

持續時(shí)間：1,000小時(shí)以滿(mǎn)足認證要求

高溫柵極偏置 (HTGB)

HTGB測試的目的是在高溫下以最大額定直流偏置電壓對柵極氧化物施加電應力。該測試旨在檢測由隨機氧化物缺陷和離子氧化物污染引起的漂移。

對于IGBT，電壓施加在柵極和發(fā)射極之間，集電極與發(fā)射極短接。IGES、VGE(th)和VCE(on)是被監測的直流參數。任何氧化物缺陷都會(huì )導致早期器件故障。

典型條件：

VGE=±20V或100%額定 VGE

VCE=0（短路）

TJ=150°C或TJ最大值

持續時(shí)間：1,000小時(shí)以滿(mǎn)足認證要求

高溫儲存壽命 (HTSL) 測試

HTSL測試旨在確定器件的穩定性、承受高溫的潛力以及封裝的內部制造完整性。盡管器件在現場(chǎng)不會(huì )暴露在如此極端的高溫下，但該測試的目的是加速在長(cháng)期儲存溫度下可能發(fā)生的任何故障機制。

測試是通過(guò)將器件放在網(wǎng)籃中進(jìn)行的，然后將其放置在受控環(huán)境溫度下的高溫室中，作為時(shí)間的函數。

典型條件：

TA=150°C（塑料封裝上的溫度）

持續時(shí)間：1,000 小時(shí)以滿(mǎn)足認證要求

高濕高溫反向偏置 (H3TRB)

H3TRB測試旨在確定零部件和組成材料對高溫/高濕環(huán)境中長(cháng)期運行的綜合劣化影響的抵抗力。該測試僅適用于非密封器件。

濕度一直是半導體的傳統影響因素，尤其是對于塑料封裝器件。大多數與濕氣相關(guān)的退化直接或間接地由濕氣滲透通過(guò)鈍化材料和表面腐蝕引起。在安森美，通過(guò)使用結“鈍化”工藝、芯片涂層和適當選擇封裝材料，成功地解決和控制了這個(gè)問(wèn)題。

典型條件：

VCE=最大額定值的80?100%

VGE=0（短路）

TA=85°C

RH=85%

持續時(shí)間：1,000 小時(shí)以滿(mǎn)足認證要求

典型條件：

VGE≥10V

△TJ=100°C

RθJC=取決于器件

Ton,Toff≥30秒

持續時(shí)間：10,000?15,000次循環(huán)以滿(mǎn)足認證要求

無(wú)偏高加速壓力測試 (UHAST)

UHAST旨在通過(guò)使器件承受高蒸汽壓力來(lái)確定器件的防潮性。該測試僅在塑料/環(huán)氧樹(shù)脂封裝器件上執行，而不在氣密封裝（即金屬罐器件）上執行。在測試室內，設有一個(gè)托盤(pán)，將器件放置在離去離子水表面大約兩英寸的高度，以防止冷凝水在器件上聚集。在達到適當的溫度和大氣壓力后，這些測試條件將保持至少24小時(shí)。然后取出器件并風(fēng)干。通常監測的參數是漏電流和電壓。

典型條件：

TA=131°C

P=14.7 psi

RH=100%

持續時(shí)間：72小時(shí)以滿(mǎn)足認證要求

間歇性工作壽命 (IOL)

IOL測試的目的是通過(guò)開(kāi)啟（器件由于功率耗散而被加熱）和關(guān)閉（器件由于去除施加的功率而被散熱），以模擬“現實(shí)世界”環(huán)境中通常遇到的操作模式，從而確定芯片和/或封裝組件的完整性。

直流電源被施加到器件，直到達到所需的功能溫度。然后關(guān)閉電源，并施加強制風(fēng)冷，直到結溫降至環(huán)境溫度。

(公式1)

（公式2）

（通常，這是一個(gè)加速條件）

（公式3）

該序列重復指定的循環(huán)次數。小心保持溫度偏移，以確保結果的可重復性。

間歇性工作壽命測試用于了解芯片與安裝表面之間以及芯片與引線(xiàn)接合界面之間的芯片接合界面的熱疲勞程度。

對于 IGBT，用于監控性能的參數包括熱阻、閾值電壓、導通電阻、柵極-發(fā)射極漏電流和集電極-發(fā)射極漏電流。

當熱疲勞導致熱阻或導通電阻增加超過(guò)制造商數據表中規定的最大值時(shí)，就會(huì )發(fā)生故障。

溫度循環(huán) (TC)

溫度循環(huán)測試的目的是確定器件對空氣介質(zhì)中高溫和低溫偏移的抵抗力以及在這些極端條件下循環(huán)的影響。

通過(guò)將器件交替放置在高溫和低溫的單獨腔室中來(lái)執行測試。各腔室的空氣溫度通過(guò)空氣循環(huán)保持均勻。腔室具有足夠的熱容量，以便在將器件轉移到腔室后達到指定的環(huán)境溫度。

每個(gè)周期包括暴露在一個(gè)極端溫度下至少15分鐘，然后立即轉移到另一個(gè)極端溫度下至少15分鐘；這樣就完成了一個(gè)循環(huán)。請注意，這是極端溫度之間的立即轉移，因此對器件的壓力大于非立即轉移。

典型的極端條件：

?65/+150°C

循環(huán)次數可以與預期應用環(huán)境的惡劣程度相關(guān)聯(lián)。業(yè)界普遍認為，十個(gè)循環(huán)足以確定器件的質(zhì)量。溫度循環(huán)可以確定由于膨脹系數的差異在器件內部的材料之間產(chǎn)生的任何過(guò)度應變。

低溫儲存壽命 (LTSL) 測試

LTSL測試旨在確定器件的穩定性、承受低溫的潛力以及封裝的內部制造完整性。盡管器件在現場(chǎng)不會(huì )暴露在如此極端的低溫下，但該測試的目的是加速在長(cháng)期儲存溫度下可能發(fā)生的任何故障機制。

典型條件：

TA=-65°C（塑料封裝上的溫度）

持續時(shí)間：1,000小時(shí)以滿(mǎn)足認證要求

測試是通過(guò)將器件放在網(wǎng)籃中進(jìn)行的，然后將其放置在受控環(huán)境溫度下的高溫室中，作為時(shí)間的函數。

穩態(tài)工作壽命 (SSOL) 測試

SSOL測試旨在確定芯片和/或封裝組件在穩態(tài)連續工作壽命條件下的完整性。

對于IGBT，用于監控性能的參數包括熱阻、閾值電壓、導通電阻、柵極-發(fā)射極漏電流和集電極-發(fā)射極漏電流。

典型條件：

VGE≥10 V

△TJ=100°C

TA=25°C 持續時(shí)間：1,000小時(shí)以滿(mǎn)足認證要求

當熱疲勞導致熱阻或導通電阻增加超過(guò)制造商數據表中規定的最大值時(shí)，就會(huì )發(fā)生故障。

圖1.IGBT晶圓制造

圖2.裝配工藝流程

環(huán)保封裝相關(guān)測試項目：

◎ 物理尺寸?執行此測試以確定是否符合器件外形圖規格

◎ 目視和機械檢查?確定產(chǎn)品是否符合某些外觀(guān)和功能標準（例如標記易讀性、污漬等）的測試

◎ 耐溶劑性?確定器件端子可焊性的測試

◎ 端子強度?此測試是引線(xiàn)彎曲測試，用于檢查引線(xiàn)強度

每個(gè)制造過(guò)程都呈現出質(zhì)量和可靠性的分布情況。必須控制這種分布，以確保高平均值、窄范圍和一致的分布形態(tài)。這可以通過(guò)適當的設計和過(guò)程控制來(lái)實(shí)現，從而減少使用篩選程序來(lái)消除分布形態(tài)的下尾部分的需要。

加速壓力測試

本報告中的某些測試遠遠超過(guò)了器件在正常操作條件下所遇到的情況。因此，測試條件“加速”了所涉及的故障機制，并允許安森美能夠在比其他方式更短的時(shí)間內預測故障率。與溫度相關(guān)的失效模式由Arrhenius模型表征。

（公式4）

AF=加速因子

EA=活化能 (eV)

K=波爾茲曼常數 (8.62×10E?5eV/K)

T2=工作溫度，K

T1=測試溫度，K

因此，等效的器件小時(shí)數等于加速因子（由Arrhenius模型確定）乘以實(shí)際器件小時(shí)數。

數據審查

高溫反向偏置 (HTRB) 用于確定漏電流的穩定性，這與IGBT的場(chǎng)畸變有關(guān)。HTRB 通過(guò)高溫反向偏置測試來(lái)增強故障機制，因此是器件質(zhì)量和可靠性的良好指標，也可以驗證過(guò)程控制的有效性。

高溫柵極偏置 (HTGB) 旨在檢查器件在經(jīng)加速的高溫下的“柵極偏置”正向條件下隨時(shí)間變化的穩定性。執行此測試以對柵極氧化物施加電應力，以檢測由隨機氧化物缺陷引起的漂移。這種失效機制以非常低的缺陷率出現在可靠性“浴盆曲線(xiàn)”的早期和隨機期。

間歇性工作壽命 (IOL) 是一種出色的加速應力測試，用于確定芯片和/或封裝組件在循環(huán)開(kāi)啟（器件因功率耗散而被加熱）和循環(huán)關(guān)閉（器件因斷電而被散熱）時(shí)的完整性。這個(gè)測試可能是所有測試中最重要的一個(gè)，它模擬了“真實(shí)世界”環(huán)境中通常經(jīng)歷的情況。IOL 會(huì )測試芯片接合、引線(xiàn)接合、導通器件、關(guān)斷器件、關(guān)聯(lián)器件性能并驗證所有材料的熱膨脹是否兼容。安森美執行廣泛的 IOL 測試作為持續的過(guò)程控制監測，該測試與整個(gè)“器件系統**”相關(guān)。安森美還對 Δ 函數溫度進(jìn)行廣泛的分析和比較。安森美已經(jīng)確定，為了有效地對器件施加壓力，Δ TJ為100°C是必要的，這遠遠超出了許多客戶(hù)應用的要求，并決定了該器件的可靠性建模。

溫度循環(huán) (TC) 也是一項出色的壓力測試，用于確定器件在空氣介質(zhì)中對高溫和低溫偏移的抵抗力。IOL 從內部對“器件系統”施加電應力，而溫度循環(huán)從外部環(huán)境條件對“器件系統”施加熱應力。

高溫儲存壽命 (HTSL)、高濕溫度反向偏置 (H3TRB)、熱沖擊 (TC) 和“壓力鍋”（高壓鍋）都是常規測試，而安森美可靠性工程認為HTRB、HTGB、IOL和TC是最重要的測試。安森美已在半導體行業(yè)發(fā)展多年，并將憑借持續的可靠性、質(zhì)量和客戶(hù)關(guān)系繼續立足發(fā)展。