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隨著新能源浪潮與全球節(jié)能減碳趨勢(shì)，汽車龍頭廠商將電動(dòng)車（Electric Vehicle, EV）功能列入研發(fā)藍(lán)圖上。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，從2021至2027年間，全球各類EV市場(chǎng)的平均年復(fù)合成長率（CAGR）可達(dá)21%，而在電動(dòng)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(yīng)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(yù)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(dá)44億美元，CAGR為38%（圖1），因此功率元件是未來各半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展重心之一。

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(dǎo)體

第三類半導(dǎo)體是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料應(yīng)用的半導(dǎo)體，相較于傳統(tǒng)由硅制作的功率元件，第三類半導(dǎo)體擁有較高的頻率與功率的操作范圍，能應(yīng)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(yùn)算、發(fā)電設(shè)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(dǎo)體市場(chǎng)帶入更多的動(dòng)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(yīng)用的領(lǐng)域。

依照不同的應(yīng)用情境選擇適用的元件種類和電壓應(yīng)用范圍，圖3是針對(duì)不同電壓對(duì)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(yīng)用為主，此操作便需要IGBT或SiC的元件了。

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(cè)分析三大步驟

隨著功率元件產(chǎn)值的提升，自然也帶動(dòng)了分析檢測(cè)的需求。在故障分析的領(lǐng)域上，對(duì)元件結(jié)構(gòu)的了解、電性量測(cè)是入門的基本功，盡管功率元件的結(jié)構(gòu)較IC簡(jiǎn)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(cè)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(rèn)失效行為，因此需要高功率的量測(cè)儀器才能執(zhí)行。綜合以上考量，在全方案分析流程上，可簡(jiǎn)易地歸納出以下三大步驟：

1.電性參數(shù)量測(cè)

IC的量測(cè)可以分為靜態(tài)測(cè)試與動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種，前者就是DC量測(cè)，open/short與leak Hi/Lo皆屬此類，在第三方分析實(shí)驗(yàn)室皆可靠參數(shù)分析儀進(jìn)行驗(yàn)證，而缺陷的定位也是以靜態(tài)測(cè)試為主；動(dòng)態(tài)測(cè)試即是功能測(cè)試，需要ATE或臺(tái)架測(cè)試（bench test）才能夠達(dá)成，不同種類的IC有不同的測(cè)試程式，一般第三方分析實(shí)驗(yàn)室無此分析能量，故大多無法進(jìn)行功能失效的全方案流程。功率元件由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電性參數(shù)項(xiàng)目固定，市場(chǎng)上已有單一儀器可進(jìn)行量測(cè)，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(xiàng)目，便可逐一萃取各個(gè)項(xiàng)目值。首先電性參數(shù)需要量測(cè)，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(shí)，推測(cè)是哪一結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，擬定物性故障分析方案。

圖4 600V MOSFET電性參數(shù)與定義說明。

圖5 電容對(duì)電壓的關(guān)系圖。

圖6 Vgs電壓對(duì)gate電荷的關(guān)系圖。

2.亮點(diǎn)定位

不論執(zhí)行何種半導(dǎo)體元件的亮點(diǎn)定位，主要以這三項(xiàng)工具：微光顯微鏡（PEM）、雷射致阻值變化偵測(cè)（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(cè)亮點(diǎn)，則視樣品制備難易度而定。功率元件的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)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(diǎn)的觀察，不過在初步的亮點(diǎn)定位上，可優(yōu)先選擇使用Thermal EMMI，利用其熱傳導(dǎo)的特性，先進(jìn)行第一次定位，待定位完成后，若需要更精細(xì)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(jiǎn)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)定位完成后直接進(jìn)行截面的觀察是標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程。對(duì)于功率元件來說，要進(jìn)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(dǎo)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。

圖8 GaN MOSFET以FIB和TEM觀察到的裂痕和差排。

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(chǎng)，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(huì)造成電池泄漏，還會(huì)因?yàn)橛绊懥穗妶?chǎng)分布，而導(dǎo)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(dāng)?shù)姆治龉ぞ撸M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(yīng)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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