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]。 |
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
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。 |
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。 |
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。 |
图七 电容对电压的关系图。 |
图八 Vgs 电压对 gate 电荷的关系图。 |
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。 |
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。
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
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