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电动汽车碳化硅的增长给制造业带来压力

时间：2023-09-11 来源： 浏览：

电动汽车碳化硅的增长给制造业带来压力

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市场机遇正推动寻求减少碳化硅（SiC）功率集成电路缺陷的更好方法。
汽车电气化推动了对碳化硅功率集成电路的需求，但也为发现和识别这些芯片中的缺陷带来了挑战。
与此同时，人们越来越意识到碳化硅技术是多么不成熟，还有多少工作需要完成，以及需要多快完成。汽车制造商正大力发展电动汽车，从400V到800V电池系统的过渡正在加速电动汽车功率模块从IGBT到SiC器件的过渡。其结果是SiC需求将呈指数级增长，所有这些都需要完美运行。
“由于电动汽车(EV)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，”美国国家仪器 (National Instruments) SET副总裁兼技术负责人弗兰克·海德曼(Frank Heidemann)表示。“这种转变推动了对提高效率的需求，特别是在汽车行业，从而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。
“功率密度，更高的电压和吸引人的热特性是碳化硅驱动器件真正吸引那些制造高效电机驱动器、高密度电机驱动器或聚合电路的人的三个因素，”Wolfspeed功率IC高级副总裁Jay Cameron说。“我们看到许多应用需要强大的功率，但同时需要更小或更轻的外形。因此，如果你寻求使用更少的铜来制造更轻重量的系统，那么借助SiC，你就有机会在保持高功率水平的同时进行电压对电流的权衡。
电力电子设备还有助于减轻重量，这也会影响车辆的续航里程。基于SiC的功率模块需要的IC更少，并且不需要太多的冷却，从而减少了所需散热解决方案的数量。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之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，工程师已经开始从IGBT转向SiC器件，但随着电池车辆从400V向800V的转换，这种转变正在加速。SiC的工作电压可达1200伏。
图1:三菱iMiEV系统示意图，显示了使用电源IC的模块位置。来源维基共享资源，创作共用许可BY-SA 3.0
为了满足对碳化硅日益增长的需求，该行业需要提高产量。这意味着要解决长期以来阻碍碳化硅生产的制造挑战。这些挑战包括高昂的设备成本，以及缺陷和可靠性问题。为了降低成本，SiC衬底制造商正在从150mm晶圆转向200mm晶圆。然而，这种预期的指数级增长给筛选SiC器件带来了挑战，这将需要制造商以及检测和测试供应商的创新。
Heidemann说:“这些宽带隙器件给生产线终端(EoL，即在晶圆、封装、模块、系统的制造过程末期进行的测试)测试提出了独特的挑战，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，测试它们的可靠性和高压环境（高达2000伏或更高），对EoL测试系统来说是一个巨大的挑战，因为EoL测试系统以前不是为满足此类要求而设计的。”
SiC制造过程有时会造成影响基本功能和性能的缺陷，因此需要通过检查和电气测试进行筛选。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，这种筛查的规模很小。扩大到更大的数量需要创新，以使筛查有效且具有成本效益。
  检测和计量方法
硅和SiC功率集成电路的关键区别在于衬底的生长。硅是一种均匀的晶体结构，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，这可能导致广泛的亚表面缺陷，如层错和微管。在随后的外延生长过程中，晶体缺陷会扩展。同时，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，这会影响整个晶圆。
此外，SiC晶圆在处理过程中容易断裂，切分成裸片将更容易产生裂纹，而裂纹会蔓延。因此，整个晶圆和组装过程的检查不可或缺。
由于其高通量，工程师在SiC制造过程中主要依靠光学检测系统。许多公司为SiC提供专门的光学检测工具，包括检查和分类功能。
计量就没那么简单了。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、晶格方向、电阻和表面粗糙度。这反过来又需要一套多样化的系统。
布鲁克白光干涉仪产品经理Sandra Bergmann表示：“白光干涉仪(WLI)用于衬底制造商的质量保证/质量控制，以测量Si、GaN和SiC的晶圆粗糙度（亚纳米）。”“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器件可以是平面或基于沟槽的技术。WLI对沟槽深度测量特别有用。
“对于高压IC工艺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，”Bergmann说。“它可以平行检查视野内的所有沟槽而不造成损坏。我们通常使用5倍物镜和0.5mm²询问场。我们还可以在视野范围内沿沟槽提供全方位的深度变化。”
晶圆检测需要考虑表面缺陷和亚表面缺陷，后者对SiC尤为重要。
“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，”Onto Innovation检测产品营销经理Burhan Ali说。“光学检测的挑战在于，它可以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，它很快就会耗尽动力。光致发光技术已被证明在检测SiC衬底和外延层上的亚表面晶体缺陷方面卓有成效。”
检查贯穿于整个装配过程。光学是高通量、低设备投资的首选方法。但光学技术仅限于表面缺陷。对于检测中至高密度的亚表面缺陷，X射线是首选解决方案，因为它可以在2D中高速运行。与此同时，声学检测可以很容易地检测到分层，但需要将零件浸入水中。
“人工、光学、X射线检测都是非破坏性的方法。”Amkor Technology全球测试服务副总裁George Harris表示。“基本的X射线检测对于检查包装完整性非常有用。大部分系统缺陷模式很容易用X射线识别，因此它很受客户欢迎。可根据客户要求，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。也可以用于识别影响热管理的缺陷。
“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，”诺信公司产品线总监Brad Perkins说。“还需要考虑到热保护，这就是工程师检查模具附件的原因，因为这是热管理的一部分。过大的空隙，过高的总空隙率，或足够大的分层都会造成模具出现热点，从而导致其过早失效。由于许多功率器件用于高可靠性应用（汽车、火车、风车等），故障成本可能非常高，因此检查可能导致过早现场故障的缺陷对制造商来说是非常划算的。”
图2：用于空隙检查的X射线。来源诺信测试与检验
  测试方法
SiC的批量生产相对较新，其在汽车应用中的使用也是如此。因此，人们设计了严格的测试过程以确保其质量和可靠性。测试在多个温度、电压和频率下进行。这是必要的，因为缺陷可能在较低的频率和电压下看起来是良性的，但随后在较高的频率和/或电压下表现出来。
由于其模拟特性，电源IC需要进行功能和性能测试。对于电源IC，测试分为静态测试和动态测试，即直流测试和交流测试。静态测试在室温下进行，动态测试在高温下进行。
“静态测试不再是一个挑战，因为被测设备(DUT)是在稳定状态下测试的，”爱德万测试意大利董事总经理Fabio Marino说。“这意味着低功耗。即使是超高电压，也会是低电流，如果是超高电流，也会是低电压。工程界面临的真正挑战是动态测试。动态测试具有极高的功率，因为它测试被测器件从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大的电流。虽然这种转变只需要很短的时间，但它的功率仍非常高。”
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。
“在测试、鉴定和EoL方面，我们需要进行更彻底的测试，并更深入地研究设备特性。例如，栅极漂移是宽带隙器件特有的一种现象，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剧烈的漂移，而另一些则表现出最小的漂移，“NI的Heidemann指出。“有趣的是，即使是在同一家供应商内，不同代设备的行为也可能不同。因此，对包括EoL和鉴定在内的全面测试的需求更大，与硅相比，要求更高。”
如今，晶圆测试单元不能运行动态测试，因为晶圆卡盘具有非常高的杂散电感。工程师只在晶圆分类时使用静态测试。即使这样，由于施加了高压，也存在火花的风险，可能会损坏良好的设备。
“由于这是一个物理挑战，多年来一直是用同样的方法来处理的——通过管理气隙，当然还有管理空气。”Teradyne功率分立器件产品经理Tom Tran说。“随着电压开始攀升至400V及以上，我们通常会看到从仅仅依靠物理间距到通过靠晶圆的压力室添加压缩干燥空气(CDA)的转变。”
目前晶圆测试的局限性促进了裸晶测试的发展。
“电源模块是我们可以进行静态和动态测试的最坚固的封装部件，”爱德万测试的Marino说。“但缺点是这些封装包含多个开关——从6个到48个。如果一个开关坏了，那么你就得扔掉整个包装，这是非常昂贵的。这就是为什么客户转而对基板进行中间测试，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个设备。突破性的创新是测试裸片。这将筛选每个开关(静态和动态测试)。通过仅组装优质模具，客户可以在组装成本方面受益。
  图3：晶圆、裸片、封装和电源模块的测试插入量。来源：爱德万测试
如果失效的裸片吸收高电流，裸晶测试就有损坏探针卡和/或ATE的风险。但工程师们已经找到了解决这个问题的方法。
“在转向裸片的过程中，CREA(现在是爱德万的一部分)专门开发了一项专利技术——探针卡接口(PCI)。”Marino说：“这是一个硬件和一个软件算法，可以检测异常的电流消耗。用于测试裸片的探针卡每个芯片有3000个针，因为每个针只能驱动1安培。测试仪和探针卡之间是PCI，一个硬件盒。PCI监控探针卡中每个针头或针组的电流。如果出现电流分布异常或电流消耗(由于部件故障)，PCI会立即切断电源。零件失效，但卡盘、探针卡和测试仪受到了保护。”
图4：带和不带探针卡接口系统的测试系统对比。来源：爱德万测试
一旦裸片组装到封装中，测试就可以筛选与封装相关的缺陷以及在动态测试中出现的缺陷。
“除了局部放电测试外，封装特定缺陷机制通常还通过从晶圆到封装级测试的行为变化来测试，”Teradyne的Tran说。“局部放电更侧重于封装和材料方面，而电气测试可以揭示封装过程中的物理故障，例如由于引线键合损坏而导致的连续性误差，或分离过程中的损坏。筛选也可以在检查从晶圆分选到最终封装测试的平均偏移和分布时进行。
检测与可靠性相关的缺陷非常重要，现有标准指导了零件鉴定和生产制造的测试。
“我们采用各种测试方法以用于终端和认证。”Heidemann说：“在资质方面，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。类似地，在终端环境中，可以观察到各种动态测试场景，因客户而异。然而，我们可以说，生产线终端测试广泛涉及在高温高压环境下进行的动态测试。目标是确保对这些设备进行动态测试，以防止故障的发生影响整条生产线。”
  未来发展
为了满足对SiC器件的需求，晶圆厂正从150mm晶圆转向200mm晶圆。为了支持这一产能不断增长的行业，对于其测试和检验流程，专家们列举了一些可能有所帮助的创新方法，从测试系统的更改到通过分析来更好理解检测期间观察到的缺陷的电气影响。
测试系统的创新可以在制造流程的早期改变筛选能力并提高吞吐量。其中一项创新将是晶圆卡盘，用于对晶圆进行动态测试。这需要将卡盘杂散电感从600微亨降低到100纳亨以下。
目前，封装测试只适用于单站点测试。测试单元使用大型处理器在多个测试仪之间移动部件，每个测试仪在特定温度下运行，并进行动态或静态测试。转向多站点测试将降低总体成本。然而，并行运行高能量测试存在巨大的工程挑战。这就需要ATE设计的创新。
一个意想不到的缺口是处理程序的可用性，特别是对于裸片。
“最大的挑战来自处理方。我们在市场上没有足够的处理程序供应商或处理程序，”Marino说。“处理程序公司宣布的交付时间超过一年，而我们的交付时间只有四个月。因此，市场窗口处于危险之中。这就是为什么我们要求探针供应商加入进来。探针公司有相同的核心业务——半导体。但自动化公司有很多行业需要支持，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。
“由于测试站有专用于完整测试列表的特定部分，因此数据完整性非常重要，”Amkor的Harris表示。“最近有一种趋势是将收集到的数据迁移到内部网云上，在那里数据分析算法不断测试工作流程、测试设备以及系统封装和制造相关的故障机制。工厂自动化可实现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制造能够加速良率学习并降低总测试成本。
“总的来说，化合物半导体技术——无论是SiC、GaN、GaAs、InP还是其他——都是多年前硅技术的发展方向。要获得低成本、无缺陷的8英寸衬底，可能需要多年的努力和投资。在可预见的未来，衬底和外延晶圆质量仍将是重点问题，”PDF Solutions产品管理总监Steve Zamek表示。“发现和识别衬底缺陷只是第一步。接下来是要在一个平台上汇总所有数据类型——缺陷检测和审查、在线计量和电气测试数据。这是一个重要的问题，因为这些数据是在地理上分散的工厂和工具中获得的。但一旦完成，制造商就能够建立预测分析模型，以最大限度地提高效率。更早实现这些的人将从中受益。”
其他人也同意实现可追溯性是非常重要的。由于电源IC没有电子ID，因此可追溯性在组装和测试过程中是一个挑战。
“在具有设备ID的后端设备中，可以进行跟踪，”DR Yield首席执行官Dieter Rathei指出。“但是很多设备在与晶圆分离后会失去设备级的可追溯性。然后你就会看到设备批量混合的情况。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相关性是不可能的。”
  结论
电动汽车产量的预期增长给负责SiC集成电路生产的工程团队带来了挑战。需求推动了从150mm到200mm晶圆生产的变化，也给当前的检验和测试过程带来了压力。许多人指出，SiC技术的成熟程度相当于30年前硅技术的成熟度。随着技术逐渐成熟以满足需求，工程团队将需要通过改进测试系统并缩短测试和检查过程的吞吐时间来解决缺陷。

第四届陶瓷基板及产业链应用发展论坛将围绕高导热陶瓷基板粉体、流延成型工艺与设备进展、氮化铝与氮化硅基板烧结技术与新型烧结装备、陶瓷基板的金属化工艺、高导热陶瓷覆铜板与IGBT封装、陶瓷基板与大功率半导体器件、半导体封装陶瓷基板及性能评价、陶瓷基板市场状况与未来发展趋势等热点话题发表主旨演讲报告并进行现场互动交流。

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