廣電計量|車載功率半導體常見失效機理及案例（封裝篇）

近年來，廣大消費者可明顯感受到身邊(biān)新能源汽車已占據瞭(le)日常出行的“半壁江山"，四月汽車(chē)銷售榜單更是從數據上印證瞭(le)這一點。

新能源汽車(chē)雖然愈發流行，但仍不免有很多車(chē)主對安全性持有懷疑态度
，而維護新能源汽車(chē)安全性的其中一個關鍵就是確(què)保汽車(chē)的大腦--車(chē)載芯片的有效性。對車(chē)載芯片進行失效分析以保證車(chē)主及道路行人的安全，正是廣電(diàn)計量元器件與失效分析實驗室的日常課題。

今天将從(cóng)車(chē)載功率半導體行業需求背景及具體案例，來說說新能源汽車(chē)功率半導(dǎo)體可靠性這個大家都關心的問題。

一、車(chē)載功率半導(dǎo)體行業需求背景

功率半導體是構成電力電子轉換裝置的核心器件，電能轉換領域開關控制等均需要用到，在新能源汽車(chē)領域應用尤爲廣泛。據由社會科學文獻出版社正式出版發行的《汽車(chē)大數據應用研究報(bào)告（2021）顯示，預計2025年混動+新能源車(chē)達到兩千萬輛，同時由於(yú)更先進的電子技術被不斷應用，功率半導體将得到大量普及，預期會占到汽車(chē)電子價值量的一半以上。

與此同時，車載功率半導體（特别是第三代半導體）的研發、生産(chǎn)在國内尚處於(yú)起步階段，國際上對其各種失效模式、失效機理的研究也有限。車載半導體器件工作環境惡劣，工作時功率高、發熱大、可靠性異常問題多發，其安全性、可靠性、穩定性一直是困擾器件廠、主機廠的問題。

研究並(bìng)積累車載功率半導體常見失效模式、失效機理，進而對産(chǎn)品加以改進，提供更可靠的功率半導體給車廠，促進汽車産(chǎn)業鏈長效發展是業内共同願望。

案例一：鍍(dù)錫引腳變(biàn)色分析

背景介紹：器件做完濕度類（HAST、HTRB）試驗後(hòu)，管腳變(biàn)色嚴重

機理分析：變(biàn)色原因主要是鍍錫層吸濕表面容易形成水膜，並(bìng)與空氣中氧參與下表面形成無數電化學微原電池，錫作爲電池一電極失去電子被氧化，容易形成SnO（一氧化錫），通常表現爲黑色或棕黑色
。該(gāi)物質在空氣中較穩定，繼(jì)續加熱容易形成SnO2（氧化錫）爲白色立方晶體。

案例二
：沖(chōng)擊試驗後(hòu)鍵合脫落、剪切不合格分析

背景介紹：器件做完溫度沖擊類（IOL、TC）試驗後(hòu)，内鍵(jiàn)合開路或剪切力不合格

機理分析
：鍵合剪切力變小或鍵合脫落原因主要是反複的熱應力膨脹收縮産生金屬機械疲勞，使鍵合從兩頭（跟部、趾部）開始産生裂紋（並(bìng)且可見趾部裂紋延伸比跟部嚴重
，這證明鍵合趾部弱於跟部）。通過離子研磨及金相處理後可以清晰看到裂紋沿著(zhe)金屬細化區中晶界面邊界延伸（該細化區是由於鍵合造成的晶粒重構尺寸變化）。進一步使用FIB處理後再用TEM放大分析，同時可見源區個别晶界也産(chǎn)生裂紋並(bìng)延伸到襯底。

案例三：溫度試驗後(hòu)鋁電(diàn)極黑化分析

背景介紹：器件做完溫度沖擊類（IOL、TC）試驗後，内部電(diàn)極鋁PAD嚴重變(biàn)黑

機理分析：變(biàn)黑原因主要是鋁層發生金屬化重建造成表面變(biàn)粗糙，發生漫反射變(biàn)黑。由於(yú)矽與鋁有不同的熱膨脹系數（矽基芯片随溫度升高擴張爲 2~4 ppm / K，金屬鋁爲23.5 ppm / K）。可見鋁層(céng)在溫度升高階段會承受來自矽基芯片的壓縮應力，此周期性壓應力會在鋁層(céng)彈(dàn)性超過導緻粒子間的塑性變(biàn)形（通常這種情況的結溫>110℃），塑性變(biàn)形進而導緻瞭(le)單個粒子的外突，最終導緻表面粗糙無光澤。同時溫度降低階段存在拉伸應力，此拉伸應力如果超過彈性限度會導緻空化效應晶界，通常會表現爲鋁層密度降低，電阻增加。這會降低器件承受浪湧電流的能力，但是該鋁層重建現象在有物質覆蓋時會被抑制（圖片可見鈍化層覆蓋位置沒有變(biàn)黑現象），因此鍵合位置影響很小。試驗後隻需關注鍵合測試結果是否合格即可。

一
、結語

以上分析綜合使用瞭(le)物理、化學、金屬材料學綜合交叉知識，同時使用瞭(le)金相顯微鏡(jìng)、離子研磨CP設備(bèi)、FIB雙束聚焦離子束、透射電鏡TEM等高階分析設備(bèi)。除設備(bèi)外，還要求分析人員熟練掌握元器件基本結構
、材料，最終結合微區操作物理、化學制樣能力。綜合以上種種能力才能将半導(dǎo)體器件内部缺陷的暴露進而分析。

二、廣電計量解決方案

廣電計量經過在功率半導(dǎo)體方面數年積累，形成瞭(le)博士7人、碩士13人的專業人才團隊，各方面研究方向同步業内先進研究進展；並(bìng)且研究設備(bèi)均爲業内多套設備(bèi)（靜态/動态參數測試：B1505A、B1506A、SW8200A等，物理分析：T3Ster、DB FIB、FE SEM、TEM、InGaAs、ORBICH、Thermal Emmi等）；

技術先進性：廣(guǎng)電(diàn)計量結合AEC-Q/AQG324車規認證大量的案例數據庫，積累瞭(le)豐富的各種應力環境導緻的失效模式、失效機理分析材料，同時積累瞭(le)豐富的結構分析經驗
、制樣經驗。可以快速準確(què)地協助客戶進行功率半導體失效根因判定
、機理分析。