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新能源汽車已占據了日常出行的“半壁江山"，四月汽車銷售榜單更是從數據上印證了這一點。

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

今天將從車載功率半導體行業需求背景及具體案例，來說說新能源汽車功率半導體可靠性這個大家都關心的問題。

一、車載功率半導體行業需求背景

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，在新能源汽車領域應用尤為廣泛。據由社會科學文獻出版社正式出版發行的《汽車大數據應用研究報告（2021）顯示，預計2025年混動+新能源車達到兩千萬輛，同時由于更先進的電子技術被不斷應用，功率半導體將得到大量普及，預期會占到汽車電子價值量的一半以上。

與此同時，車載功率半導體（特別是第三代半導體）的研發、生產在國內尚處于起步階段，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。

研究并積累車載功率半導體常見失效模式、失效機理，進而對產品加以改進，提供更可靠的功率半導體給車廠，促進汽車產業鏈長效發展是業內共同愿望。

案例一：鍍錫引腳變色分析

背景介紹：器件做完濕度類（HAST、HTRB）試驗后，管腳變色嚴重

機理分析：變色原因主要是鍍錫層吸濕表面容易形成水膜，并與空氣中氧參與下表面形成無數電化學微原電池，錫作為電池一電極失去電子被氧化，容易形成SnO（一氧化錫），通常表現為黑色或棕黑色。該物質在空氣中較穩定，繼續加熱容易形成SnO2（氧化錫）為白色立方晶體。

案例二：沖擊試驗后鍵合脫落、剪切不合格分析

背景介紹：器件做完溫度沖擊類（IOL、TC）試驗后，內鍵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復的熱應力膨脹收縮產生金屬機械疲勞，使鍵合從兩頭（跟部、趾部）開始產生裂紋（并且可見趾部裂紋延伸比跟部嚴重，這證明鍵合趾部弱于跟部）。通過離子研磨及金相處理后可以清晰看到裂紋沿著金屬細化區中晶界面邊界延伸（該細化區是由于鍵合造成的晶粒重構尺寸變化）。進一步使用FIB處理后再用TEM放大分析，同時可見源區個別晶界也產生裂紋并延伸到襯底。

案例三：溫度試驗后鋁電極黑化分析

背景介紹：器件做完溫度沖擊類（IOL、TC）試驗后，內部電極鋁PAD嚴重變黑

機理分析：變黑原因主要是鋁層發生金屬化重建造成表面變粗糙，發生漫反射變黑。由于硅與鋁有不同的熱膨脹系數（硅基芯片隨溫度升高擴張為 2~4 ppm / K，金屬鋁為23.5 ppm / K）。可見鋁層在溫度升高階段會承受來自硅基芯片的壓縮應力，此周期性壓應力會在鋁層彈性超過導致粒子間的塑性變形（通常這種情況的結溫>110℃），塑性變形進而導致了單個粒子的外突，最終導致表面粗糙無光澤。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致空化效應晶界，通常會表現為鋁層密度降低，電阻增加。這會降低器件承受浪涌電流的能力，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黑現象），因此鍵合位置影響很小。試驗后只需關注鍵合測試結果是否合格即可。

一、結語

以上分析綜合使用了物理、化學、金屬材料學綜合交叉知識，同時使用了金相顯微鏡、離子研磨CP設備、FIB雙束聚焦離子束、透射電鏡TEM等高階分析設備。除設備外，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將半導體器件內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體方面數年積累，形成了博士7人、碩士13人的專業人才團隊，各方面研究方向同步業內先進研究進展；并且研究設備均為業內多套設備（靜態/動態參數測試：B1505A、B1506A、SW8200A等，物理分析：T3Ster、DB FIB、FE SEM、TEM、InGaAs、ORBICH、Thermal Emmi等）；

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