随着新能源的浪潮与节能减碳的全球化趋势，汽车的龙头厂商无不将电动车 (Electric Vehicle, EV) 功能的推展列入研发蓝图上。根据 Yole 的预测，从 2021 至 2027 年间，全球各类 EV 市场的平均年复合成长率 (CAGR) 可达 21%，而在电动车的零件组成中，功率组件诸如 DC-DC 转换器、车载充电器与逆变器，应用也随之水涨船高，尽管目前这些功率组件的产值，仍与成熟 IC 组件相差许多，但其 CAGR 预期至 2027 年皆有双位数的成长。以 SiC module 为例，到了 2027 年，其产值可达 44 亿美元，CAGR 为 38% (图一)，因此功率组件是未来各半导体产业链的发展重心之一。
 图一 各类功率组件 2021-2027 年的营收与 CAGR[1]。 |
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在车载功率组件中，由于功率上的需求，第三代半导体逐渐抓取众人的目光。 |
第三代半导体是以碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 等宽能隙材料应用的半导体，相较于传统由硅制作的功率组件，第三代半导体拥有较高的频率与功率的操作范围，因此可以应用在许多新兴产业上，例如自驾车、5G/6G、太空、AI、量子高速运算、发电设施等等。有鉴于此，中国在 2020 年颁布了「十四五规划」，将第三代半导体纳入产业发展，预计于 2021-2025 年间投入 10 兆人民币，力求将第三代半导体自主化，避免被全球市占前几名的西方厂商垄断与箝制。
许多传统功率组件的台厂已纷纷宣布，于 2022 年下半年投入 SiC 组件的生产，为整个第三代半导体市场带入更多的动力。图二说明了由各类材料制造出的功率组件的操作频率、功率范围，并说明其应用的领域。
  图二 各类功率组件的操作范围，从家电、电动车、铁道，到发电厂等皆有其应用[1]。 |
依照不同的应用，皆有其适用的组件种类、电压应用范围，图三是针对不同电压对组件所作的区分，现今车载功率组件的主流范围在 900V 以下，此部份以传统的 Si 和 GaN MOSFET 即可支持；而 1200V 以上的需求，则以铁道或发电厂的应用为主，此操作范围便需要 IGBT 或 SiC 的组件了。
 图三 各类型材料的功率组件的操作电压[2]。 |
随着功率组件产值的提升，自然也带动了分析检测的需求。在故障分析的领域上，对组件结构的了解、电性量测是入门的基本功，尽管功率组件的结构较 IC 简单，但其材质与金属连接的布局，却是影响样品制备、缺陷观察的重要影响因子；而电性量测方面，由于其特殊规格，无法使用一般的参数分析仪来确认失效行为，因此需要高功率的量测仪器才能执行。综合以上考虑，在全方案分析流程上，可简易地归纳出以下三大步骤：
1.电性参数量测
2.亮点定位
3.缺陷观察
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电性参数量测 |
在 IC 的量测上，可以分为静态测试与动态测试两种，前者就是 DC 量测，open/short 与 leak Hi/Lo 皆属此类，在第三方分析实验室皆可靠参数分析仪进行验证，而缺陷的定位也是以静态测试为主；动态测试即是功能测试 (function test)，需要 ATE 或 bench test 才能够达成，不同种类的 IC 有不同的测试程序，一般第三方分析实验室无此分析能量，故大多无法进行功能失效的全方案流程。
功率组件由于结构简单，且电性参数项目皆为固定，市场上已有单一仪器可进行量测，其电性参数在规格书定义得十分清楚，只要依照规格书的项目，便可逐一萃取各个项目值。首先，得了解哪些电性参数需要量测，以 600V 的 MOSFET 为例，其电性参数与其说明如图四；了解电性参数的定义后，即可在某参数异常时，推测是哪一结构出现问题，以利后续拟定物性故障分析方案。
 图四 600V MOSFET 电性参数与其定义说明。 |
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闳康科技为迎接第三代半导体世代的到来，不惜砸下重本，在台湾与上海实验室购置 B1506A 电性参数分析仪(图五)，可自动抓取所有电性参数，进行规格书里大多数的参数量测，其中涵盖故障分析的必要项目。此外，B1506A 还具有以下特点： (1)适用于所有的分离式 (discrete) 功率组件。 (2)只要完成设定，便可全自动、一次抓取所有欲量测的参数。 (3)最高操作电压可达 3KV，最大电流 500A，适用于市场上大多数的功率组件。 (4)可外接探针台，进行 wafer-level 或 die-level 的量测。 (5)在产品的开发与客退品的分析上，具有快速的故障机制判断能力。 |
 图五 B1506A 外观图。 |
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表一 B1506A 可量测的电性参数。 |
图六 B1506A 量测的 IV 曲线，如崩溃电压与 BJT 的 ICE-VCE。 |
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图七 电容对电压的关系图。 |
图八 Vgs 电压对 gate 电荷的关系图。 |
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表二 样品批次量测完成后的结果，可有效层别有问题的组件。
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亮点定位 |
不论要执行何种半导体组件的亮点定位，不外乎这三种工具—微光显微镜 (PEM) 、激光致阻值变化侦测 (OBIRCH) 与热影像分析仪 (Thermal Emission Microscope, Thermal EMMI)，依电性故障行为与样品结构考虑，去选择适当的定位仪器，而亮点从芯片的正面或背面侦测，则是依样品制备难易度去做选择。
功率组件的结构虽然简单，但样品制备的难度却高于 IC 工艺，原因在于其芯片表面有一层厚厚的铝，遮挡了亮点的观察，不过在初步的亮点定位上，我们可优先选择使用 Thermal EMMI，利用其热传导的特性，先进行第一次定位，待定位完成后，若需要更精细的范围，再选择其它的定位工具。
闳康科技目前采用的 Thermal EMMI 系统，最高电压可达 3KV，非常适合高功率组件的亮点定位。在高电压的操作下，即便是微安级的漏电，也有机会被侦测到，是功率组件进行故障分析时必备的分析工具。
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图九 在 500V 的电压下，尽管漏电流只有 1uA，仍发现亮点在接近终端区的位置，左图为亮点和光学影像的迭加图，右图是亮点的原始照片。 |
缺陷观察
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由于功率组件的结构简单，比如 MOSFET 或 IGBT，皆是许多 cell 以数组的方式并联排列，而单一明确的亮点即代表缺陷所在的位置，再加上由电性行为可以判断漏电的路径，对照结构就可以推论出可能的物性故障现象，所以一般来说，亮点完成后直接进行截面的观察是标准作业流程。
对于功率组件来说，要进行截面的样品制备并观察缺陷的外貌，主要有两种方式，一是聚焦离子束 (Focused Ion Beam, FIB)，另一种则是穿透式电子显微镜 (Transmission Electron Microscopy, TEM)，两者的差别主要在于分辨率差异，FIB 可观察烧熔、工艺异常、外来物等较明显可见的异状，而 TEM 则可以观察晶格缺陷，各有其应用之处。在第三代半导体的材料中，可能存在差排的晶格缺陷，若执行 FIB 后未见明显异常，可再转做 TEM 观察。
若是因离子注入问题造成的漏电，上述两种显微镜便无法派上用场，需要使用扫描式电容显微镜 (Scanning Capacitance Microscopy, SCM) 来观察 p-type 与 n-type 搀杂的分布。浓度异常除了会造成 cell leakage，还会因为影响了电场分布，而导致击穿现象所产生的大电流问题。
综观以上，只要有适当的分析工具，组合成既定的分析步骤，再整合电性特征与物性结构，便能有效地挖掘出故障的真因。随着功率组件的应用愈发广泛，相信此套分析流程，能够协助功率组件厂商快速研发与提升量产良率。 |
图十 GaN MOSFET 以 FIB 和 TEM 观察到的 crack 与 dislocation。
图十一 SiC MOSFET 以 TEM 观察到的dislocation。 |
Reference:
[1]Yole
[2]Power semiconductor roadshow hosted by UBS, London, 10-11 Nov. 2018
