SiC器件需求爆发式增长，为缺陷检测带来极大挑战！
来源:芯智讯发布时间:2023-08-091103浏览
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汽车的电动化推动了对碳化硅（SiC）功率器件的需求爆发式增长，但也给寻找和识别这些芯片中的缺陷带来了挑战。
与此同时，人们越来越意识到SiC技术是多么的不成熟，还有多少工作需要做，以及这必须以多快的速度实现。汽车制造商正在大力进军电动汽车，从400V电池系统向800V电池系统的过渡正在加速电动汽车功率模块中从IGBT器件向SiC器件的过渡。其结果将是SiC需求的指数级增长，所有这些都需要完美地工作。
美国国家仪器公司SET副总裁兼技术负责人Frank Heidemann表示：“由于电动汽车和可再生能源的快速增长，功率半导体市场正在发生重大变化。” “这种转变推动了对提高效率的需求，特别是在汽车行业，导致了碳化硅和氮化镓等宽带隙技术的出现。”
SiC器件具有多种特性，使其成为比硅基IGBT器件更好的选择。
Wolfspeed负责功率集成电路的高级副总裁Jay Cameron表示：“更高的功率密度、更高的电压和有吸引力的热性能是碳化硅驱动设备对那些制造高效电机驱动器、密度非常大的电机驱动器或会聚电路的人有吸引力的三个因素。”“我们看到许多应用程序需要大量的功率器件，但体积更小或更轻。因此，如果你正在寻找使用更少铜的重量、更轻的系统的能力，那么使用SiC，你就有机会在保持高功率水平的同时，实现电压与电流的折衷。”
电力电子设备也有助于减轻重量，这也会影响车辆的续航里程。基于SiC的功率模块需要更少的IC，而且它们不需要冷却那么多，这减少了所需热解决方案的数量。这些模块在各种电池系统之间、充电站和电池系统之间以及电机和电池系统间执行一系列基本电压转换。
IGBT器件一直是400V电池系统中支持这些功能的主要IC。为了降低整体功率模块成本，工程师们已经开始从IGBT转向SiC器件，但随着400V电池汽车向800V电池汽车的转变，这种转变正在加速。SiC的工作电压最高可达1200V。
△图1:Mitsubushi iMiEV的系统图，显示了使用功率IC的模块的位置。来源Wikimedia Commons，知识共享许可BY-SA 3.0
为了满足对SiC日益增长的需求，该行业需要提高产量。这意味着要解决长期以来减缓SiC生产的制造挑战。这些挑战包括高昂的设备成本，以及缺陷和可靠性问题。为了解决成本问题，SiC衬底制造商正在从150毫米晶圆转移到200毫米晶圆。然而，这种预期的指数级增长给SiC器件的筛选带来了挑战，这将需要制造商、检验和测试供应商的创新。
NI的Heidemann表示：“这些宽带隙器件在生产线末端（EoL，即在晶圆、封装、模块、系统的制造过程结束时进行的测试）测试中带来了独特的挑战，因为与传统的硅器件相比，它们表现出不同的失效机制和模型。” “此外，在高达2000伏或更高的可靠性和高压环境中对它们进行测试，对EoL测试系统来说是一个重大挑战，因为这些系统以前并不是为满足这些要求而设计的。”
SiC的制造工艺有时会导致影响基本功能和性能的缺陷，因此需要进行检查和电气测试。高压和大电流测试需要精心设计的测试系统，既能提供必要的电流和电压，又能在不可避免的短路发生时保护设备。
到目前为止，这种筛查一直在低量进行。扩大到更高的数量需要进行有效和成本效益高的筛查创新。
检验和计量方法
硅和SiC功率IC之间的一个关键区别与衬底的生长有关。作为一种均匀的晶体结构，硅几乎没有亚表面缺陷。相比之下，碳化硅是通过化学气相沉积生长的，这会导致广泛的亚表面缺陷，如堆叠缺陷和微管。在随后的外延生长过程中，晶体断层可以传播。此外，由于SiC是一种脆性材料，它更容易受到划痕和凹坑等表面缺陷的影响，这些缺陷会影响整个芯片。
此外，SiC芯片在处理过程中容易断裂，锯切到模具中会引入更多的裂纹机会，这些裂纹可能会传播。因此，在整个晶圆和组装过程中进行检查是至关重要的。
由于其高通量，工程师在SiC制造过程中主要依赖光学检测系统。许多公司为SiC提供专业的光学检测工具，包括审查和分类功能。
计量就不那么简单了。计量反馈涉及工艺工程师需要测量的各种参数，包括衬底平面度和厚度、晶格取向、电阻和表面粗糙度。反过来，这些需要一套多样化的系统。
Bruker白光干涉仪产品经理Sandra Bergmann表示：“白光干涉仪（WLI）轮廓仪在基板制造商现场用于质量保证/质量控制，以测量Si、GaN和SiC的晶片粗糙度（亚nm）。” “SiC衬底的生产更具挑战性。由于其硬度，抛光很困难。因此，WLI对于优化/跟踪抛光过程至关重要。”
SiC器件可以是基于平面或沟槽的技术。WLI对于沟槽深度测量特别有用。
Bergmann说：“对于高压IC工艺过程中的高纵横比沟槽深度测量，WLI可以从2µm的开口分辨到40µm的深度。”。“它是无损的，可以对视野内的所有沟槽进行平行检查。我们通常使用5倍物镜和0.5平方毫米的询问场。我们还提供整个视野内沟槽深度的完全变化。”
晶片检查需要同时考虑表面缺陷和亚表面缺陷，后者对SiC特别重要。
Onto Innovation负责检测的产品营销经理Burhan Ali表示：“光学检测技术用于缺陷检测，而X射线和光致发光用于计量。” “光学检测面临的挑战是，它能有效地以高通量发现表面缺陷，但当涉及到亚表面晶体缺陷时，它很快就会失去动力。在这种情况下，光致发光技术在检测SiC衬底和外延层上的亚表面晶体缺陷方面已经证明是卓有成效的。”
在整个装配过程中进行检查。由于高通量和低设备投资，光学是首选方法。但光学仅限于表面缺陷。对于检测中等至高密度的亚表面缺陷，X射线是优选的解决方案，因为它可以在2D中高速运行。同时，声学检测可以很容易地检测出分层，但需要将零件浸入水中。
Amkor Technology负责全球测试服务的副总裁George Harris表示：“手动、光学和X射线检查都是无损检测方法。” “基本的X射线检查有助于审查包装的完整性。很大一部分系统缺陷模式很容易用X射线识别，因此深受客户欢迎。根据客户的要求，可以在专门的故障分析实验室进行包装的破坏性机械横截面和扫描电子显微镜检查。”
检查不限于电气问题。它还可用于识别可能影响热管理的缺陷。
Nordson Test&Inspection的产品线总监Brad Perkins表示：“在包装领域，大多数电气缺陷都与电线穿过/接触成型过程并导致短路有关。”。“还需要考虑热保护，这就是工程师检查模具连接的原因，因为这是热管理的一部分。过大的空隙、过高的空隙总百分比或足够大的分层将导致模具中的热点，从而导致过早故障。因为许多功率设备用于高可靠性应用（汽车、火车、风车等）故障的成本可能非常高，因此检查可能导致过早现场故障的缺陷对制造商来说非常有成本效益。”
△图2：空隙检查的X射线。Source Nordson测试与检验
试验方法
SiC的批量生产相对较新，在汽车中的应用也相对较新。因此，正在制定严格的测试流程，以确保质量和可靠性。测试在多种温度、电压和频率下进行。这是至关重要的，因为缺陷在较低的频率和电压下可能表现为良性，但随后在较高的频率和/或电压下表现出来。
由于其模拟性质，功率IC需要进行功能和性能测试。对于功率IC，测试分为静态和动态测试，即直流和交流。静态测试在室温下进行，而动态测试在高温下进行。
Advantest意大利公司董事总经理Fabio Marino表示：“静态测试不再是一个挑战，因为被测设备（DUT）是在稳态下测试的。” “这意味着低功率。即使是超高压，也是低电流，如果是超高电流，也是低电压。工程界面临的真正挑战是动态测试。动态测试是非常高的功率，因为它测试DUT从ON到OFF状态的转换，反之亦然。这意味着在非常高的电压下有非常高的电流在很短的时间内，它处于极高的功率。”
在宽带隙器件中观察到的与栅极阈值漂移相关的可靠性问题也推动了严格的测试。
NI的Heidemann指出：“关于测试、鉴定和EoL，我们需要进行更彻底的测试，并深入研究器件特性。例如，门漂移，一种宽带隙器件特有的现象，在不同的市场参与者之间差异很大。有些在汽车的使用寿命内表现出显著的漂移，而另一些则表现出最小的漂移。”。“有趣的是，即使在同一供应商内部，不同设备的行为也可能不同。因此，更需要全面的测试，包括EoL和资格鉴定，这与硅世界相比要求更高。”
如今，芯片测试单元无法进行动态测试，因为芯片卡盘具有非常高的杂散电感。工程师们只使用晶圆类的静态测试。即使在那时，由于施加了高电压，也有可能产生火花，损坏好的设备。
Teradyne电源分立产品经理Tom Tran表示：“由于这是一个物理挑战，多年来一直以同样的方式处理——通过管理空气间隙，当然还有管理空气。”。“随着电压开始攀升至400V及以上，我们通常会看到从仅仅使用物理间距到通过紧贴晶圆的压力室添加压缩干空气（CDA）的转变。”
目前晶圆测试的局限性促使裸片测试的发展。
Advantest的Marino说：“电源模块是我们可以测试静态和动态的最坚固的封装部件。” “但缺点是这些软件包含多个开关——6到48个。如果一个开关坏了，那么你就把整个包装都扔掉了，这是非常昂贵的。这就是为什么客户转向基板的中间测试，例如在最终组装之前。所以它稍微便宜一点，但你仍然有6到48台设备。突破性的创新是测试裸模。这会筛选每个开关（静态和动态测试）。只有组装好的模具，客户才能从组装成本方面获益。”
△图3：测试插入跨越晶圆、芯片、封装和电源模块。来源：Advantest
裸片测试存在损坏探针卡和/或ATE的风险，如果发生故障的裸片吸收高电流。但工程师们已经找到了解决这个问题的方法。
马里诺说：“在向裸片过渡的过程中，CREA（现在是Advantest的一部分）专门开发了一项专利技术——探针卡接口（PCI）。”。“这是一种检测异常电流消耗的硬件和软件算法。测试裸模的探针卡每个裸模有3000个针，因为每个针只能驱动1安培。在测试仪和探针卡之间是PCI，一个硬件盒。PCI监测探针卡中每个针或针组中的电流。如果电流分布或电流异常ent消耗（由于故障部件），PCI立即关闭电源。零件出现故障，但卡盘、探针卡和测试仪受到保护。”
△图4：带有和不带有探针卡接口系统的测试系统之间的比较。来源：Advantest
一旦模具被组装到封装中，测试就可以筛选与封装相关的缺陷以及在动态测试中表现出来的缺陷。
Teradyne的Tran表示：“除了局部放电测试外，封装特定的缺陷机制通常还通过从晶圆到封装级别测试的行为变化来测试。” “虽然局部放电更多地关注封装和材料方面，但电气测试可以揭示封装过程中的物理故障，如引线键合损坏导致的连续性错误，或单体化过程造成的损坏。在检查从晶片分类到最终封装测试的平均偏移和分布时，也可以进行筛选。”
可靠性相关缺陷的检测非常重要，现有标准指导零件鉴定和生产制造的测试。
NI的Heidemann说：“我们采用了各种测试方法来达到最终和资格认证的目的。”。“在鉴定方面，JEDEC和ECPE的AQG324等行业标准定义了专门针对碳化硅的动态测试场景，以引入具有不同失效模型的新材料。因此，鉴定需要大量的动态测试，包括动态H3TRB、DGS和DRB测试等，与IGBT相比，这些测试相对较新同样，在生产线结束的环境中，可以观察到各种各样的动态测试场景，不同的客户会有所不同。然而，可以说，线端测试广泛涉及在高温和高压环境下进行的动态测试。目标是确保这些设备经过动态测试，以防止在整个生产系列中出现故障影响。”
未来发展
为了满足对SiC器件的需求，晶圆厂正在从150毫米晶圆转移到200毫米晶圆。对于支持产能增加行业的测试和检查流程，专家们列举了一些可能有所帮助的创新。从测试系统的变化到使用分析来更好地理解检查过程中观察到的缺陷的电气影响，这些都有。
测试系统的创新可以在制造流程的早期转移筛选能力，并提高吞吐量。一个这样的创新将是晶片卡盘，以实现对晶片的动态测试。这需要将卡盘杂散电感从600μH减小到小于100μH。
目前，包测试支持仅用于单站点测试。测试单元使用一个大型搬运器，在几个测试仪之间移动零件，每个测试仪在特定温度下运行，并运行动态或静态测试。转向多站点测试将降低总体成本。然而，并行运行高能测试是一个巨大的工程挑战。这需要ATE设计的创新。
一个意想不到的缺口是处理器的可用性，尤其是裸片。
马里诺说：“最大的挑战来自装卸工方面。我们市场上没有足够的装卸工供应商或装卸工。” “处理器公司宣布一年以上的交付周期，而我们的运营周期为四个月。因此，市场窗口面临风险。这就是为什么我们要求探测器供应商参与进来。探测器公司有相同的核心业务——半导体。但自动化公司有多种行业需要支持，从手表组装到半导体。”
以一致的方式连接来自各个制造步骤的数据也可以优化制造过程并了解缺陷影响。
Amkor的Harris说：“由于测试站专门用于完整测试列表的特定部分，数据完整性很重要。”。“最近有人推动将收集到的数据迁移到内联网上云，在那里，数据分析算法不断测试工作流程、测试设备、系统封装和制造相关的故障机制。工厂自动化允许闭环控制，并提高产量。光学和电子技术都用于单元级可追溯性。“
这种数据连接将使SiC制造能够加速产量学习并降低总体测试成本。
PDF Solutions产品管理总监Steve Zamek表示：“总的来说，化合物半导体技术——无论是SiC、GaN、GaAs、InP还是其他技术——都是多年前硅的所在。要获得低成本、无缺陷的8英寸衬底，可能需要数年的努力和投资。在可预见的未来，衬底和外延晶片的质量仍然是人们关注的问题。”。“发现和识别基板缺陷只是第一步。接下来是将所有数据类型——缺陷检查和审查、在线计量和电气测试数据——聚集在一个平台上。这是一个不小的问题，因为这些数据是在地理位置分散的工厂和工具中获取的。但一旦完成这一步，制造商就能够建立预测分析模型最大化效率。那些更快到达那里的人将获得好处。”
其他人则认为，实现可追溯性并非易事。对于功率IC，没有电子ID，因此在组装和测试过程中，可追溯性是一个挑战。
DR Yield首席执行官Dieter Rathei指出：“在有设备ID的后端设备中，可以进行跟踪。”。“但很多设备在与晶圆分离后失去了设备级的可追溯性。然后你会看到设备分批混合的情况。除非你知道哪个晶圆被放入哪个批次，否则晶圆和封装之间的数据关联是不可能的。”
结论
电动汽车产量的预期增长给负责SiC IC生产的工程团队带来了挑战。需求推动了从150毫米到200毫米晶圆生产的变化，也强调了当前的检查和测试过程。许多人指出，SiC技术的成熟程度是三十年前硅技术的成熟度。随着技术的成熟以满足需求，工程团队将需要通过改进测试系统和更改来解决缺陷，从而减少测试和检查过程的吞吐量。
编译：芯智讯-林子 来源：semiengineering
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