如何来评估一颗功率器件的可靠性？这就要用到FIT和MTBF概念。
FIT率是英文Failures In Time的缩写，从其字面意思可知，它是以时间维度来表述失效率的，英飞凌每一款功率器件都可以提供FIT率报告。
以IKW25N120H3 25A/1200V IGBT为例，它的FIT率仅0.75ppm(百万分之一),MTBF（平均无故障时间）达到了1,333,333,333小时，也就是说一万颗管子在一起工作15年，才可能会有一颗管子出现故障，这真的是一个很惊人的数字。
英飞凌是如何实现如此低的故障率？
持续生产出高质量的芯片呢？
让我们一起来继续探索吧!
图 2
品质设计
产品是设计出来的，产品质量也是设计出来的！一枚高质量功率芯片始于设计之初的工程蓝图。根据目标应用的寿命需求，我们设计合理的芯片结构与工艺参数，使得电气性要满足应用需求，而且器件的长期可靠性及寿命也要满足应用需求。
举个例子，海上风电运行寿命是25年，而且还要应对不同的风速变化情况与恶劣的工作环境。而变流器的核心—功率器件的寿命，势必要在25年之上。为了应对这一挑战，英飞凌IGBT5芯片优化了结构，并且给芯片表面敷铜，封装上采用高性能.XT技术，大大提升器件功率循环寿命。
图 3
对于有些应用，比如家用电器，它面临的工作环境和寿命要求就和海上风电完全不同，功率器件的质量设计思路也必须要有所差异。设计之初的差异化，是实现质量精准控制的第一步。
来料控制
晶圆的制造需要高纯度的硅片，以及高纯度的气体、化学试剂等。英飞凌会对来料进行认证检测确保符合生产要求。
图 4
生产流程
晶圆的生产类似搭积木，需要经过反复的循环步骤，才能制造出最终产品。
图 5
下面是IGBT7的剖面图，从纵向结构看，一个IGBT有多个层次，例如金属层、栅极氧化层、多晶硅层、N+发射极、P基区、N-漂移区、N缓冲层、P+集电极区等等。
图 6
为了形成这些层次，IGBT需要经过多次离子注入、退火、清洗等工艺，一个Wafer要在设备间循环往复数百次，才能得到最终的晶圆产品，每一步的工艺控制都对成品率及可靠性有重要影响。
图 7
对于生产的每一步骤，英飞凌都采用统计制程控制，确保每道制程的产出都在正常范围之内才会进行下一道工序的生产。例如检查晶圆不同区域沉积层的厚度，当有异常情况就需要停止生产直至找出根因才会继续。
图 8
缺陷筛查
缺陷筛查在芯片生产过程中尤为关键。微结构的晶圆对极小的灰尘颗粒敏感，因为它们会影响电路并造成失效。因此芯片生产车间提出了百级洁净度的要求，所谓“百级”洁净，即每立方英尺的空气中≥0.5微米粒径的粒子数量不超过100个，堪比最高洁净等级手术室的标准。要达到如此高的洁净度标准，除了复杂的空气净化措施之外，最重要的就是控制人员进入！是的，人体就是芯片工艺车间里最大的污染源。为了提高自动化程度，减少人员使用，英飞凌大量使用机器人。英飞凌位于奥地利维拉赫的新半导体工厂耗资16亿元，占地6万平方米，大约有8个足球场那么大，但由于采用了高度自动化技术，整个工厂只需要10名工人就能维持运营！每个工人的产值有多高！
另外，材料的固有缺陷也会影响最终的成品率。举个例子，在双极性运行（PN结，比如MOSFET的体二极管，在导电时）条件下，任何类型的SiC器件都可能出现双极退化效应。这种效应主要是由SiC晶体上早先存在的基底面位错（BPD）触发的。它可能导致芯片的有效有源区域缩小，二极管通态压降逐渐增加。但是，我们可以采取优化的芯片生产工艺抑制这一缺陷，以及在芯片出厂之前执行有效的筛查措施，确保交付给客户的产品拥有稳定的性能。
图 9
这是一项极其挑战的任务，因为它就好像是在足球场里找出散落的图钉。但是为了最终的极限品质，英飞凌愿意克服困难，来执行100%的缺陷扫描，将有缺陷的产品筛选出来。
图 10
可靠性验证
功率芯片要通过多重的可靠性的考验才能最终上市。这些考验包括HTRB，HTGB，PC,TC等等，下面是你能在官网上看到的，英飞凌依据JEDEC标准，出具的可靠性报告中部分条目：
表 1 IMW120R045M1 1200V 45mohm SiC MOSFET质量报告中的电参数部分
但英飞凌不会满足于此，我们真正执行的可靠性实验标准远超JEDEC。如下图所示，是你看不见的，CoolSiC™ MOSFET默默执行的实验标准。HTRB和HTGB（即HTGS）的合格应力时间为1000小时，但英飞凌实际测试的时长是2000小时，是标准时间的2倍！而且，动态应力试验很重要，因为它们可能触发在遵循标准的静态试验中观察不到的失效机制，所以我们做了很多JEDEC标准里并没有列出来的实验，如动态H3TRB和动态反向偏压（DRB）。而这些试验中都未发现任何系统的寿命终期失效机制。
表 2
采用TO247封装的、1200V电压等级的CoolSiC™ MOSFET实际进行的可靠性试验
最终测试
生产环节的收尾工序便是最终测试环节。我们可以按照规格来测试，但是这足够吗？英飞凌的研究发现，如果是偏离主流分布的产品，最终失效的概率可能会比处于主流分布区间之内的高1000倍，因此英飞凌设定按照测试分布6σ来划分上下限，以确保最终出货的高品质。
因此，你看到的数据，实际上有留有很大余量的。举个例子，FF600R12ME4 600A 1200V 数据手册中标称的漏电流最大值ICES 3mA, 然而实测一下会发现，FF600R12ME4 在1200V下的漏电流仅是uA量级。
至此，一颗人类高质量
功率芯片诞生了
一颗小小的芯片，除了复杂的生产工艺，还需要一系列额外的措施才能被赋予高品质，这并不容易。
本文由三年不鸣转载自芯长征科技公众号，原文标题为:图解功率芯片诞生记，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
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