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汽車的電動化推動了對碳化硅（SiC）功率器件的需求爆發式增長，但也給尋找和識別這些芯片中的缺陷帶來了挑戰。
與此同時，人們越來越意識到SiC技術是多么的不成熟，還有多少工作需要做，以及這必須以多快的速度實現。汽車制造商正在大力進軍電動汽車，從400V電池系統向800V電池系統的過渡正在加速電動汽車功率模塊中從IGBT器件向SiC器件的過渡。其結果將是SiC需求的指數級增長，所有這些都需要完美地工作。
美國國家儀器公司SET副總裁兼技術負責人Frank Heidemann表示：“由于電動汽車和可再生能源的快速增長，功率半導體市場正在發生重大變化。” “這種轉變推動了對提高效率的需求，特別是在汽車行業，導致了碳化硅和氮化鎵等寬帶隙技術的出現。”
SiC器件具有多種特性，使其成為比硅基IGBT器件更好的選擇。
Wolfspeed負責功率集成電路的高級副總裁Jay Cameron表示：“更高的功率密度、更高的電壓和有吸引力的熱性能是碳化硅驅動設備對那些制造高效電機驅動器、密度非常大的電機驅動器或會聚電路的人有吸引力的三個因素。”“我們看到許多應用程序需要大量的功率器件，但體積更小或更輕。因此，如果你正在尋找使用更少銅的重量、更輕的系統的能力，那么使用SiC，你就有機會在保持高功率水平的同時，實現電壓與電流的折衷。”
電力電子設備也有助于減輕重量，這也會影響車輛的續航里程。基于SiC的功率模塊需要更少的IC，而且它們不需要冷卻那么多，這減少了所需熱解決方案的數量。這些模塊在各種電池系統之間、充電站和電池系統之間以及電機和電池系統間執行一系列基本電壓轉換。
IGBT器件一直是400V電池系統中支持這些功能的主要IC。為了降低整體功率模塊成本，工程師們已經開始從IGBT轉向SiC器件，但隨著400V電池汽車向800V電池汽車的轉變，這種轉變正在加速。SiC的工作電壓最高可達1200V。
△圖1:Mitsubushi iMiEV的系統圖，顯示了使用功率IC的模塊的位置。來源Wikimedia Commons，知識共享許可BY-SA 3.0
為了滿足對SiC日益增長的需求，該行業需要提高產量。這意味著要解決長期以來減緩SiC生產的制造挑戰。這些挑戰包括高昂的設備成本，以及缺陷和可靠性問題。為了解決成本問題，SiC襯底制造商正在從150毫米晶圓轉移到200毫米晶圓。然而，這種預期的指數級增長給SiC器件的篩選帶來了挑戰，這將需要制造商、檢驗和測試供應商的創新。
NI的Heidemann表示：“這些寬帶隙器件在生產線末端（EoL，即在晶圓、封裝、模塊、系統的制造過程結束時進行的測試）測試中帶來了獨特的挑戰，因為與傳統的硅器件相比，它們表現出不同的失效機制和模型。” “此外，在高達2000伏或更高的可靠性和高壓環境中對它們進行測試，對EoL測試系統來說是一個重大挑戰，因為這些系統以前并不是為滿足這些要求而設計的。”
SiC的制造工藝有時會導致影響基本功能和性能的缺陷，因此需要進行檢查和電氣測試。高壓和大電流測試需要精心設計的測試系統，既能提供必要的電流和電壓，又能在不可避免的短路發生時保護設備。
到目前為止，這種篩查一直在低量進行。擴大到更高的數量需要進行有效和成本效益高的篩查創新。
檢驗和計量方法
硅和SiC功率IC之間的一個關鍵區別與襯底的生長有關。作為一種均勻的晶體結構，硅幾乎沒有亞表面缺陷。相比之下，碳化硅是通過化學氣相沉積生長的，這會導致廣泛的亞表面缺陷，如堆疊缺陷和微管。在隨后的外延生長過程中，晶體斷層可以傳播。此外，由于SiC是一種脆性材料，它更容易受到劃痕和凹坑等表面缺陷的影響，這些缺陷會影響整個芯片。
此外，SiC芯片在處理過程中容易斷裂，鋸切到模具中會引入更多的裂紋機會，這些裂紋可能會傳播。因此，在整個晶圓和組裝過程中進行檢查是至關重要的。
由于其高通量，工程師在SiC制造過程中主要依賴光學檢測系統。許多公司為SiC提供專業的光學檢測工具，包括審查和分類功能。
計量就不那么簡單了。計量反饋涉及工藝工程師需要測量的各種參數，包括襯底平面度和厚度、晶格取向、電阻和表面粗糙度。反過來，這些需要一套多樣化的系統。
Bruker白光干涉儀產品經理Sandra Bergmann表示：“白光干涉儀（WLI）輪廓儀在基板制造商現場用于質量保證/質量控制，以測量Si、GaN和SiC的晶片粗糙度（亞nm）。” “SiC襯底的生產更具挑戰性。由于其硬度，拋光很困難。因此，WLI對于優化/跟蹤拋光過程至關重要。”
SiC器件可以是基于平面或溝槽的技術。WLI對于溝槽深度測量特別有用。
Bergmann說：“對于高壓IC工藝過程中的高縱橫比溝槽深度測量，WLI可以從2μm的開口分辨到40μm的深度。”。“它是無損的，可以對視野內的所有溝槽進行平行檢查。我們通常使用5倍物鏡和0.5平方毫米的詢問場。我們還提供整個視野內溝槽深度的完全變化。”
晶片檢查需要同時考慮表面缺陷和亞表面缺陷，后者對SiC特別重要。
Onto Innovation負責檢測的產品營銷經理Burhan Ali表示：“光學檢測技術用于缺陷檢測，而X射線和光致發光用于計量。” “光學檢測面臨的挑戰是，它能有效地以高通量發現表面缺陷，但當涉及到亞表面晶體缺陷時，它很快就會失去動力。在這種情況下，光致發光技術在檢測SiC襯底和外延層上的亞表面晶體缺陷方面已經證明是卓有成效的。”
在整個裝配過程中進行檢查。由于高通量和低設備投資，光學是首選方法。但光學僅限于表面缺陷。對于檢測中等至高密度的亞表面缺陷，X射線是優選的解決方案，因為它可以在2D中高速運行。同時，聲學檢測可以很容易地檢測出分層，但需要將零件浸入水中。
Amkor Technology負責全球測試服務的副總裁George Harris表示：“手動、光學和X射線檢查都是無損檢測方法。” “基本的X射線檢查有助于審查包裝的完整性。很大一部分系統缺陷模式很容易用X射線識別，因此深受客戶歡迎。根據客戶的要求，可以在專門的故障分析實驗室進行包裝的破壞性機械橫截面和掃描電子顯微鏡檢查。”
檢查不限于電氣問題。它還可用于識別可能影響熱管理的缺陷。
Nordson Test&Inspection的產品線總監Brad Perkins表示：“在包裝領域，大多數電氣缺陷都與電線穿過/接觸成型過程并導致短路有關。”。“還需要考慮熱保護，這就是工程師檢查模具連接的原因，因為這是熱管理的一部分。過大的空隙、過高的空隙總百分比或足夠大的分層將導致模具中的熱點，從而導致過早故障。因為許多功率設備用于高可靠性應用（汽車、火車、風車等）故障的成本可能非常高，因此檢查可能導致過早現場故障的缺陷對制造商來說非常有成本效益。”
△圖2：空隙檢查的X射線。Source Nordson測試與檢驗
試驗方法
SiC的批量生產相對較新，在汽車中的應用也相對較新。因此，正在制定嚴格的測試流程，以確保質量和可靠性。測試在多種溫度、電壓和頻率下進行。這是至關重要的，因為缺陷在較低的頻率和電壓下可能表現為良性，但隨后在較高的頻率和/或電壓下表現出來。
由于其模擬性質，功率IC需要進行功能和性能測試。對于功率IC，測試分為靜態和動態測試，即直流和交流。靜態測試在室溫下進行，而動態測試在高溫下進行。
Advantest意大利公司董事總經理Fabio Marino表示：“靜態測試不再是一個挑戰，因為被測設備（DUT）是在穩態下測試的。” “這意味著低功率。即使是超高壓，也是低電流，如果是超高電流，也是低電壓。工程界面臨的真正挑戰是動態測試。動態測試是非常高的功率，因為它測試DUT從ON到OFF狀態的轉換，反之亦然。這意味著在非常高的電壓下有非常高的電流在很短的時間內，它處于極高的功率。”
在寬帶隙器件中觀察到的與柵極閾值漂移相關的可靠性問題也推動了嚴格的測試。
NI的Heidemann指出：“關于測試、鑒定和EoL，我們需要進行更徹底的測試，并深入研究器件特性。例如，門漂移，一種寬帶隙器件特有的現象，在不同的市場參與者之間差異很大。有些在汽車的使用壽命內表現出顯著的漂移，而另一些則表現出最小的漂移。”。“有趣的是，即使在同一供應商內部，不同設備的行為也可能不同。因此，更需要全面的測試，包括EoL和資格鑒定，這與硅世界相比要求更高。”
如今，芯片測試單元無法進行動態測試，因為芯片卡盤具有非常高的雜散電感。工程師們只使用晶圓類的靜態測試。即使在那時，由于施加了高電壓，也有可能產生火花，損壞好的設備。
Teradyne電源分立產品經理Tom Tran表示：“由于這是一個物理挑戰，多年來一直以同樣的方式處理——通過管理空氣間隙，當然還有管理空氣。”。“隨著電壓開始攀升至400V及以上，我們通常會看到從僅僅使用物理間距到通過緊貼晶圓的壓力室添加壓縮干空氣（CDA）的轉變。”
目前晶圓測試的局限性促使裸片測試的發展。
Advantest的Marino說：“電源模塊是我們可以測試靜態和動態的最堅固的封裝部件。” “但缺點是這些軟件包含多個開關——6到48個。如果一個開關壞了，那么你就把整個包裝都扔掉了，這是非常昂貴的。這就是為什么客戶轉向基板的中間測試，例如在最終組裝之前。所以它稍微便宜一點，但你仍然有6到48臺設備。突破性的創新是測試裸模。這會篩選每個開關（靜態和動態測試）。只有組裝好的模具，客戶才能從組裝成本方面獲益。”
△圖3：測試插入跨越晶圓、芯片、封裝和電源模塊。來源：Advantest
裸片測試存在損壞探針卡和/或ATE的風險，如果發生故障的裸片吸收高電流。但工程師們已經找到了解決這個問題的方法。
馬里諾說：“在向裸片過渡的過程中，CREA（現在是Advantest的一部分）專門開發了一項專利技術——探針卡接口（PCI）。”。“這是一種檢測異常電流消耗的硬件和軟件算法。測試裸模的探針卡每個裸模有3000個針，因為每個針只能驅動1安培。在測試儀和探針卡之間是PCI，一個硬件盒。PCI監測探針卡中每個針或針組中的電流。如果電流分布或電流異常ent消耗（由于故障部件），PCI立即關閉電源。零件出現故障，但卡盤、探針卡和測試儀受到保護。”
△圖4：帶有和不帶有探針卡接口系統的測試系統之間的比較。來源：Advantest
一旦模具被組裝到封裝中，測試就可以篩選與封裝相關的缺陷以及在動態測試中表現出來的缺陷。
Teradyne的Tran表示：“除了局部放電測試外，封裝特定的缺陷機制通常還通過從晶圓到封裝級別測試的行為變化來測試。” “雖然局部放電更多地關注封裝和材料方面，但電氣測試可以揭示封裝過程中的物理故障，如引線鍵合損壞導致的連續性錯誤，或單體化過程造成的損壞。在檢查從晶片分類到最終封裝測試的平均偏移和分布時，也可以進行篩選。”
可靠性相關缺陷的檢測非常重要，現有標準指導零件鑒定和生產制造的測試。
NI的Heidemann說：“我們采用了各種測試方法來達到最終和資格認證的目的。”。“在鑒定方面，JEDEC和ECPE的AQG324等行業標準定義了專門針對碳化硅的動態測試場景，以引入具有不同失效模型的新材料。因此，鑒定需要大量的動態測試，包括動態H3TRB、DGS和DRB測試等，與IGBT相比，這些測試相對較新同樣，在生產線結束的環境中，可以觀察到各種各樣的動態測試場景，不同的客戶會有所不同。然而，可以說，線端測試廣泛涉及在高溫和高壓環境下進行的動態測試。目標是確保這些設備經過動態測試，以防止在整個生產系列中出現故障影響。”
未來發展
為了滿足對SiC器件的需求，晶圓廠正在從150毫米晶圓轉移到200毫米晶圓。對于支持產能增加行業的測試和檢查流程，專家們列舉了一些可能有所幫助的創新。從測試系統的變化到使用分析來更好地理解檢查過程中觀察到的缺陷的電氣影響，這些都有。
測試系統的創新可以在制造流程的早期轉移篩選能力，并提高吞吐量。一個這樣的創新將是晶片卡盤，以實現對晶片的動態測試。這需要將卡盤雜散電感從600μH減小到小于100μH。
目前，包測試支持僅用于單站點測試。測試單元使用一個大型搬運器，在幾個測試儀之間移動零件，每個測試儀在特定溫度下運行，并運行動態或靜態測試。轉向多站點測試將降低總體成本。然而，并行運行高能測試是一個巨大的工程挑戰。這需要ATE設計的創新。
一個意想不到的缺口是處理器的可用性，尤其是裸片。
馬里諾說：“最大的挑戰來自裝卸工方面。我們市場上沒有足夠的裝卸工供應商或裝卸工。” “處理器公司宣布一年以上的交付周期，而我們的運營周期為四個月。因此，市場窗口面臨風險。這就是為什么我們要求探測器供應商參與進來。探測器公司有相同的核心業務——半導體。但自動化公司有多種行業需要支持，從手表組裝到半導體。”
以一致的方式連接來自各個制造步驟的數據也可以優化制造過程并了解缺陷影響。
Amkor的Harris說：“由于測試站專門用于完整測試列表的特定部分，數據完整性很重要。”。“最近有人推動將收集到的數據遷移到內聯網上云，在那里，數據分析算法不斷測試工作流程、測試設備、系統封裝和制造相關的故障機制。工廠自動化允許閉環控制，并提高產量。光學和電子技術都用于單元級可追溯性。“
這種數據連接將使SiC制造能夠加速產量學習并降低總體測試成本。
PDF Solutions產品管理總監Steve Zamek表示：“總的來說，化合物半導體技術——無論是SiC、GaN、GaAs、InP還是其他技術——都是多年前硅的所在。要獲得低成本、無缺陷的8英寸襯底，可能需要數年的努力和投資。在可預見的未來，襯底和外延晶片的質量仍然是人們關注的問題。”。“發現和識別基板缺陷只是第一步。接下來是將所有數據類型——缺陷檢查和審查、在線計量和電氣測試數據——聚集在一個平臺上。這是一個不小的問題，因為這些數據是在地理位置分散的工廠和工具中獲取的。但一旦完成這一步，制造商就能夠建立預測分析模型最大化效率。那些更快到達那里的人將獲得好處。”
其他人則認為，實現可追溯性并非易事。對于功率IC，沒有電子ID，因此在組裝和測試過程中，可追溯性是一個挑戰。
DR Yield首席執行官Dieter Rathei指出：“在有設備ID的后端設備中，可以進行跟蹤。”。“但很多設備在與晶圓分離后失去了設備級的可追溯性。然后你會看到設備分批混合的情況。除非你知道哪個晶圓被放入哪個批次，否則晶圓和封裝之間的數據關聯是不可能的。”
結論
電動汽車產量的預期增長給負責SiC IC生產的工程團隊帶來了挑戰。需求推動了從150毫米到200毫米晶圓生產的變化，也強調了當前的檢查和測試過程。許多人指出，SiC技術的成熟程度是三十年前硅技術的成熟度。隨著技術的成熟以滿足需求，工程團隊將需要通過改進測試系統和更改來解決缺陷，從而減少測試和檢查過程的吞吐量。
編譯：芯智訊-林子 來源：semiengineering
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