功率器件負重前行
IGBT 是應用最廣泛的可控功率電子開關,一個200A 1200V的IGBT4芯片只有指甲大小。你能想象嗎?它可以每個周期快速關斷600安培的電流,電流密度高達300安培每平方厘米!這個耐壓1200V的IGBT芯片只有紙張的厚度,可以想象圍繞芯片的物理界面的機械應力會有多大。
在承受高壓大電流的同時,功率器件還要面臨復雜的工作環境,高溫、高濕、高海拔、宇宙射線等問題無一不制約著功率器件的壽命和可靠性。這樣,一顆足夠強壯的功率芯片就是實現低故障率的重中之重。
客觀認為:
如何來評估一顆功率器件的可靠性?這就要用到FIT和MTBF概念。
FIT率是英文Failures In Time的縮寫,從其字面意思可知,它是以時間維度來表述失效率的,英飛凌每一款功率器件都可以提供FIT率報告。
以IKW25N120H3 25A/1200V IGBT為例,它的FIT率僅0.75ppm(百萬分之一),MTBF(平均無故障時間)達到了1,333,333,333小時,也就是說一萬顆管子在一起工作15年,才可能會有一顆管子出現故障,這真的是一個很驚人的數字。
(什么是FIT率?請參考如何理解FIT和MTBF)
英飛凌是如何實現如此低的故障率,
持續生產出高質量的芯片呢?
讓我們一起來繼續探索吧!
品質設計
產品是設計出來的,產品質量也是設計出來的!一枚高質量功率芯片始于設計之初的工程藍圖。根據目標應用的壽命需求,我們設計合理的芯片結構與工藝參數,使得電氣性要滿足應用需求,而且器件的長期可靠性及壽命也要滿足應用需求。
舉個例子,海上風電運行壽命是25年,而且還要應對不同的風速變化情況與惡劣的工作環境。而變流器的核心—功率器件的壽命,勢必要在25年之上。為了應對這一挑戰,英飛凌IGBT5芯片優化了結構,并且給芯片表面敷銅,封裝上采用高性能.XT技術,大大提升器件功率循環壽命。
對于有些應用,比如家用電器,它面臨的工作環境和壽命要求就和海上風電完全不同,功率器件的質量設計思路也必須要有所差異。設計之初的差異化,是實現質量精準控制的第一步。
來料控制
晶圓的制造需要高純度的硅片,以及高純度的氣體、化學試劑等。英飛凌會對來料進行認證檢測確保符合生產要求。
舉個例子,現在的NPT及FS型IGBT芯片使用高純度的區熔單晶(FZ)。摻雜濃度的均勻性對功率器件是非常重要的。如果在晶片中存在摻雜濃度(或局部缺陷)的變化,電流可能分布不均勻,特別是在雪崩擊穿時,這可能造成局部過熱和器件損壞。英飛凌會對來料進行嚴格的認證檢測確保符合生產要求。
生產流程
晶圓的生產類似搭積木,需要經過反復的循環步驟,才能制造出最終產品。
舉個例子,英飛凌絕大部分的IGBT和所有的SiC MOSFET均使用溝槽柵結構,然而要在堅硬的Si或者SiC表面刻蝕出表面光滑的溝槽并不是一件容易的事,尤其是SiC的莫氏硬度為9.5級,僅次于世界上最硬的金剛石(10級),在SiC表面刻槽更是難上加難。因此,溝槽柵的設計-制造環節須歷經長期技術沉淀。通過酸腐蝕工藝制備溝槽時,須對溝槽的寬度和深度實現精確控制。同時,IGBT 溝槽底部的倒角需要非常圓潤光滑,以免影響器件耐壓。而溝槽形貌與設備條件、刻蝕工藝和后處理有著十分緊密的聯系。
下面是IGBT7的剖面圖,從縱向結構看,一個IGBT有多個層次,例如金屬層、柵極氧化層、多晶硅層、N+發射極、P基區、N-漂移區、N緩沖層、P+集電極區等等。
為了形成這些層次,IGBT需要經過多次離子注入、退火、清洗等工藝,一個Wafer要在設備間循環往復數百次,才能得到最終的晶圓產品,每一步的工藝控制都對成品率及可靠性有重要影響。
對于生產的每一步驟,英飛凌都采用統計制程控制,確保每道制程的產出都在正常范圍之內才會進行下一道工序的生產。例如檢查晶圓不同區域沉積層的厚度,當有異常情況就需要停止生產直至找出根因才會繼續。
缺陷篩查
缺陷篩查在芯片生產過程中尤為關鍵。微結構的晶圓對極小的灰塵顆粒敏感,因為它們會影響電路并造成失效。因此芯片生產車間提出了百級潔凈度的要求,所謂“百級”潔凈,即每立方英尺的空氣中≥0.5微米粒徑的粒子數量不超過100個,堪比最高潔凈等級手術室的標準。要達到如此高的潔凈度標準,除了復雜的空氣凈化措施之外,最重要的就是控制人員進入!是的,人體就是芯片工藝車間里最大的污染源。為了提高自動化程度,減少人員使用,英飛凌大量使用機器人。英飛凌位于奧地利維拉赫的新半導體工廠耗資16億元,占地6萬平方米,大約有8個足球場那么大,但由于采用了高度自動化技術,整個工廠只需要10名工人就能維持運營!每個工人的產值有多高!
另外,材料的固有缺陷也會影響最終的成品率。舉個例子,在雙極性運行(PN結,比如MOSFET的體二極管,在導電時)條件下,任何類型的SiC器件都可能出現雙極退化效應。這種效應主要是由SiC晶體上早先存在的基底面位錯(BPD)觸發的。它可能導致芯片的有效有源區域縮小,二極管通態壓降逐漸增加。但是,我們可以采取優化的芯片生產工藝抑制這一缺陷,以及在芯片出廠之前執行有效的篩查措施,確保交付給客戶的產品擁有穩定的性能。
這是一項極其挑戰的任務,因為它就好像是在足球場里找出散落的圖釘。但是為了最終的極限品質,英飛凌愿意克服困難,來執行100%的缺陷掃描,將有缺陷的產品篩選出來。
可靠性驗證
功率芯片要通過多重的可靠性的考驗才能最終上市。這些考驗包括HTRB,HTGB,PC,TC等等,下面是你能在官網上看到的,英飛凌依據JEDEC標準,出具的可靠性報告中部分條目:
IMW120R045M1 1200V 45mohm SiC MOSFET質量報告中的電參數部分
但英飛凌不會滿足于此,我們真正執行的可靠性實驗標準遠超JEDEC。如下圖所示,是你看不見的,CoolSiC MOSFET默默執行的實驗標準。HTRB和HTGB(即HTGS)的合格應力時間為1000小時,但英飛凌實際測試的時長是2000小時,是標準時間的2倍!而且,動態應力試驗很重要,因為它們可能觸發在遵循標準的靜態試驗中觀察不到的失效機制,所以我們做了很多JEDEC標準里并沒有列出來的實驗,如動態H3TRB和動態反向偏壓(DRB)。而這些試驗中都未發現任何系統的壽命終期失效機制。
采用TO247封裝的、1200V電壓等級的CoolSiC MOSFET實際進行的可靠性試驗
最終測試
生產環節的收尾工序便是最終測試環節。我們可以按照規格來測試,但是這足夠嗎?英飛凌的研究發現,如果是偏離主流分布的產品,最終失效的概率可能會比處于主流分布區間之內的高1000倍,因此英飛凌設定按照測試分布6σ來劃分上下限,以確保最終出貨的高品質。
因此,你看到的數據,實際上有留有很大余量的。舉個例子,FF600R12ME4 600A 1200V 數據手冊中標稱的漏電流最大值ICES 3mA, 然而實測一下會發現,FF600R12ME4 在1200V下的漏電流僅是uA量級。
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原文標題:圖解功率芯片誕生記
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