從 MOSFET、二極管到功率模塊，功率半導體產品是生活中無數電子設備的核心。從醫(yī)療設備和可再生能源基礎設施，到個人電子產品和電動汽車 (EV)，它們的性能和可靠性確保了各種設備的持續(xù)運行。第三代寬禁帶(WBG)解決方案是半導體技術的前沿，如使用碳化硅(SiC)。與傳統(tǒng)的硅(Si)晶體管相比，SiC 的優(yōu)異物理特性使基于 SiC 的系統(tǒng)能夠在更小的外形尺寸內顯著減少損耗并加快開關速度。

由于 SiC 在市場上相對較新，一些工程師在尚未確定該技術可靠性水平之前，對從 Si 到 SiC 的轉換猶豫不決。但是，等待本身也會帶來風險 —— 由于碳化硅可提高性能，推遲采用該技術可能會導致喪失市場競爭優(yōu)勢。下面將探討 SiC 半導體產品如何實現高質量和高可靠性，以及 SiC 制造商為確保其解決方案能夠投放市場所付出的巨大努力，這些努力不僅提升了產品性能，還確保了卓越的可靠性。

碳化硅的特性及優(yōu)勢

碳化硅擁有獨特的物理特性，其晶圓具備堅硬的纖鋅礦型原子結構，對比硅的金剛石型原子結構，這種差異造就了 SiC 諸多優(yōu)勢。在高溫環(huán)境下，SiC 展現出更高的機械穩(wěn)定性，擁有出色的熱導率，熱膨脹系數較低，禁帶更寬。層間禁帶寬度的增加使得半導體從絕緣到導電狀態(tài)的切換閾值變高，第三代半導體開關閾值在 2.3 電子伏特(eV)至 3.3 電子伏特(eV)之間，遠高于第一代和第二代半導體的 0.6eV 至 1.5eV。性能方面，寬禁帶半導體擊穿電壓更高，對熱能敏感性更低。因此，相較于硅半導體，SiC 穩(wěn)定性更高、可靠性更強，能通過降低功率損耗提升效率，并且擁有更高的溫度閾值。

對于電子行業(yè)而言，SiC 的應用可提升現有設計效率，助力電動汽車和可再生能源轉換器向更高電壓發(fā)展。這將帶來一系列益處，如因相同功率下電流減小，可減少原材料和冷卻需求，縮小系統(tǒng)尺寸和重量，縮短電動汽車充電時間等。對于直流快充、電池儲能系統(tǒng)和工業(yè)太陽能逆變器等關鍵能源基礎設施中的元件來說，確保其可靠性至關重要，畢竟從嚴重的停機維修，到品牌聲譽受損，甚至更廣泛的損害或傷害，都與這些元件的可靠性息息相關。

碳化硅產品開發(fā)流程

需求分析與設計階段

在產品開發(fā)伊始，深入的需求分析不可或缺。需充分考量目標市場、應用場景以及客戶期望等因素。以電動汽車應用為例，要結合電動汽車對功率密度、續(xù)航里程、充電速度等方面的要求，確定碳化硅器件的關鍵性能指標，如高電壓承受能力、低導通電阻、快速開關速度等。依據這些需求，展開針對性的設計工作，涵蓋芯片結構設計、電路布局規(guī)劃以及封裝形式選擇等。在芯片結構設計上，需優(yōu)化漂移區(qū)厚度、摻雜濃度等參數，以實現高耐壓和低電阻的平衡;電路布局要考慮信號傳輸的穩(wěn)定性和抗干擾能力;封裝形式則需兼顧散熱性能、機械強度以及電氣絕緣性能等。

材料選擇與晶圓制備

材料的質量對碳化硅產品性能起著決定性作用。優(yōu)質的碳化硅襯底是基礎，其晶體缺陷密度、雜質含量等指標直接關乎最終產品的可靠性。目前主流的碳化硅襯底制備方法有物理氣相傳輸法(PVT)等，該方法在高溫、真空環(huán)境下，讓原料升華產生氣相物質，在溫度梯度驅動下傳輸并在低溫區(qū)結晶生長出碳化硅晶體。在這一過程中，精確控制溫度、壓力、氣流等參數是獲得高質量、大尺寸碳化硅晶體的關鍵，微小的溫度波動都可能引入晶體缺陷，影響產品性能。此外，對原材料純度要求極高，任何雜質的存在都可能干擾晶體生長，進而影響產品性能。

芯片制造與工藝優(yōu)化

芯片制造環(huán)節(jié)包含多個復雜且關鍵的工藝步驟。光刻工藝需將設計好的電路圖案精確轉移到晶圓表面，其精度直接決定芯片的性能和集成度;刻蝕工藝要精準去除不需要的材料，形成特定的結構;摻雜工藝則通過引入特定雜質，改變半導體的電學性能。每一步工藝都需要嚴格控制工藝參數，如光刻中的曝光時間、刻蝕中的氣體流量和功率、摻雜中的雜質濃度和注入能量等。并且，需不斷對工藝進行優(yōu)化，通過實驗設計(DOE)等方法，研究不同工藝參數組合對芯片性能的影響，找到最優(yōu)工藝條件，以提升芯片的一致性和可靠性。

碳化硅產品制造過程

生產設備與環(huán)境控制

碳化硅產品制造對生產設備要求嚴苛。高溫、高真空設備在晶體生長、芯片制造等環(huán)節(jié)廣泛應用，這些設備的性能和穩(wěn)定性直接影響產品質量。設備的溫度控制精度需達到極高水平，以確保晶體生長過程的穩(wěn)定性;真空度的維持也至關重要，微小的漏氣都可能引入雜質，影響產品性能。同時，生產環(huán)境的潔凈度要求極高，需嚴格控制塵埃粒子、微生物等污染物。通過建立超凈車間，采用空氣過濾系統(tǒng)、靜電消除設備等措施，為產品制造提供潔凈、穩(wěn)定的環(huán)境，降低外界因素對產品質量的干擾。

質量檢測與監(jiān)控體系

在制造過程中，構建全面、嚴格的質量檢測與監(jiān)控體系是確保產品可靠性的關鍵。從原材料入廠檢驗，到生產過程中的在線檢測，再到成品的最終測試，每個環(huán)節(jié)都需進行嚴格把控。針對原材料，要檢測其純度、晶體結構等指標;生產過程中，利用各種先進檢測設備，如掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)等，對芯片的微觀結構、雜質分布等進行實時監(jiān)測;成品測試則涵蓋電氣性能測試、可靠性測試等多個方面。通過統(tǒng)計過程控制(SPC)等手段，對生產過程數據進行實時分析，及時發(fā)現生產過程中的異常波動，采取相應糾正措施，確保產品質量的穩(wěn)定性和一致性。

碳化硅產品可靠性測試

可靠性測試的重要性

可靠性測試旨在評估產品在規(guī)定時間內和條件下完成規(guī)定功能的能力，是衡量產品質量的關鍵指標。對于碳化硅產品，由于其常應用于高要求場景，如電動汽車、能源基礎設施等，一旦產品在使用過程中出現故障，可能引發(fā)嚴重后果。因此，可靠性測試至關重要，它能提前暴露產品潛在問題，為產品改進和優(yōu)化提供依據，確保產品在實際使用中具備穩(wěn)定、可靠的性能，提升產品市場競爭力，保障消費者權益。

常見的可靠性測試項目

高溫反偏測試(HTRB)：主要用于驗證長期穩(wěn)定情況下芯片的漏電流，考驗對象是邊緣結構和鈍化層的弱點或退化效應。該測試可暴露與時間、應力相關的缺陷，如鈍化層中可移動離子或溫度驅動的雜質。在測試中，需持續(xù)監(jiān)測碳化硅 MOSFET 源極 - 漏極的漏電流，試驗前后都要進行電應力測試，若器件靜態(tài)參數測試結果超出規(guī)定范圍，則判定為失效。

高溫柵極偏壓測試(HTGB)：針對碳化硅 MOSFET 進行的關鍵可靠性項目，用于驗證柵極漏電流的穩(wěn)定性，考驗對象是碳化硅 MOSFET 柵極氧化層。在高溫環(huán)境下對柵極長期施加電壓會加速柵極性能老化，導致柵極閾值電壓 VGSth 發(fā)生漂移。測試時，需持續(xù)監(jiān)測碳化硅 MOSFET 柵極 - 漏極的漏電流，若漏電流超過電源設定上限，則判定為失效，試驗前后同樣要進行電應力測試。

溫濕度偏壓測試(HV - H3TRB)：用于測試溫濕度對功率器件長期特性的影響。高濕環(huán)境對分立器件的封裝樹脂材料及晶片表面鈍化層是極大考驗，通過施加高溫、高濕、高反偏電壓，使早期缺陷更容易暴露。測試過程中持續(xù)監(jiān)測 MOSFET 源極 - 漏極的漏電流，試驗前后進行電應力測試，依據器件靜態(tài)參數測試結果判斷是否失效。

溫度循環(huán)測試(TC)：驗證器件封裝結構和材料的完整性。綁定線、焊接材料及樹脂材料在溫度循環(huán)過程中，受冷熱交替的熱應力作用，存在老化和失效風險。將被測對象放入溫箱，溫度在 - 55℃到 150℃之間循環(huán)(H 等級)，評估器件內部各種不同材質在熱脹冷縮作用下的界面完整性，試驗前后進行電應力測試并檢查封裝外觀是否異常。

高壓蒸煮測試(AC)：驗證器件封裝結構密閉完整性。把被測對象放進高溫高濕高氣壓環(huán)境中，考驗晶片鈍化層及樹脂材料性能。在凝露高濕、高氣壓環(huán)境下，濕氣可能進入封裝內部，引發(fā)分層、金屬化腐蝕等缺陷。試驗前后進行電應力測試并檢查封裝外觀，判斷器件是否失效。

間歇工作壽命測試(IOL)：一種功率循環(huán)測試，將被測對象置于常溫環(huán)境(TC = 25℃)，通入電流使其自身發(fā)熱結溫上升，且使?TJ≧100℃，自然冷卻至環(huán)境溫度后再次通入電流使結溫上升，不斷循環(huán)。該測試可使被測對象不同物質結合面產生應力，發(fā)現綁定線與鋁層焊接面斷裂、芯片表面與樹脂材料界面分層、綁定線與樹脂材料界面分層等缺陷，同樣在試驗前后進行電應力測試及封裝外觀檢查。

結語

碳化硅產品憑借其卓越的性能優(yōu)勢，在眾多領域展現出巨大的應用潛力。然而，要將這種潛力轉化為實際市場競爭力，確保產品上市前的可靠性至關重要。通過嚴謹的開發(fā)流程，從需求分析到芯片制造工藝優(yōu)化;嚴格的制造過程管控，涵蓋設備與環(huán)境控制以及質量檢測體系;以及全面、科學的可靠性測試，對產品進行全方位的驗證和改進，才能使碳化硅產品在復雜、高要求的應用場景中穩(wěn)定、可靠地運行，為相關產業(yè)的發(fā)展提供堅實支撐，推動電子行業(yè)邁向新的發(fā)展階段。