前麵的文章
，和大家分享了安森美(onsemi)在襯底和外延的概況，同時也分享了安森美在器件開發的一些特點和進展。到這裏大家對於SiC的產業鏈已經有一定的了解了。也就是從襯底到芯片，對於一個SiC功率器件來說隻是完成了一半的工作
，還有剩下一半就是這次我們要分享的封裝。好的封裝才能把SiC的性能發揮出來，這次我們會從AQG324這個測試標準的角度來看芯片和封裝的開發與驗證。

圖一是SSDC模塊的剖麵示意圖，圖二是整個SSDC模塊的結構圖，從圖一和圖二我們可以發現這個用在主驅的功率模塊還是比較複雜的，裏麵包含了許多的零部件。我們怎麼保證這個SSDC功率模塊能在汽車的應用環境下達到預期的工作壽命？

圖一SSDC模塊剖麵示意圖

圖二SSDC模塊的結構圖

相信很多的汽車主驅相關的工程師和廣大行業從業人員都了解到，汽車功率模塊的開發過程中有一個非常重要的測試標準


，這就是AQG324，它是歐洲電力電子中心（European Center for Power Electronics）主導的測試標準，AQG 324代(dai)表(biao)了(le)一(yi)個(ge)基(ji)於(yu)最(zui)佳(jia)實(shi)踐(jian)和(he)卓(zhuo)越(yue)需(xu)求(qiu)的(de)行(xing)業(ye)指(zhi)南(nan)。它(ta)是(shi)汽(qi)車(che)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)的(de)一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)標(biao)準(zhun)
，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)是(shi)個(ge)門(men)檻(kan)
，隻(zhi)有(you)完(wan)成(cheng)了(le)根(gen)據(ju)它(ta)的(de)測(ce)試(shi)規(gui)範(fan)設(she)計(ji)的(de)測(ce)試(shi)計(ji)劃(hua)才(cai)能(neng)得(de)到(dao)廣(guang)大(da)的(de)車(che)廠(chang)認(ren)可(ke)。所(suo)以(yi)滿(man)足(zu)AQG324隻是一個基本的要求。由於它是一個行業標準不是強製性的，最終的決定權取決於最終的用戶。安森美所有的汽車級SiC功率模塊都是通過了AQG324的測試規範。新研發的SiC功率模塊則完全滿足最新的AQG324規範。AQG324目前最新版本是發布於31.05.2021

，這個版本比之前的多了一些針對SiC的內容，這一部分附加的部分是針對SiC等(deng)三(san)代(dai)半(ban)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)，前(qian)麵(mian)的(de)測(ce)試(shi)規(gui)範(fan)是(shi)針(zhen)對(dui)矽(gui)基(ji)半(ban)導(dao)體(ti)。所(suo)以(yi)當(dang)前(qian)的(de)絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)做(zuo)車(che)規(gui)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)的(de)廠(chang)家(jia)都(dou)會(hui)也(ye)都(dou)要(yao)研(yan)究(jiu)這(zhe)個(ge)測(ce)試(shi)規(gui)範(fan)。圖(tu)三(san)是(shi)安(an)森(sen)美(mei)最(zui)新(xin)的(de)SiC功率模塊AQG324兼容性

圖三安森美AQG324規範兼容性

為了方便理解封裝的測試開發
，用圖四的項目開發表為例子
，這樣會有助於理解整個模塊的開發流程。

圖四項目開發簡表

我們會發現在項目開始之後會做不同的DOE
，還有不同的前期的驗證測試計劃，最後才開始正式的AQG324

，實際的項目會遠比這個複雜，這裏僅僅是一個簡單的示意。為什麼我們需要這些流程
？AQG324都有哪些內容？

其實所有的前期驗證測試都是基於AQG324的測試標準針對特定的一些項目展開的，當這些項目都滿足要求之後才會正式的開始製作B樣，開始進行完整的AQG324測試
，樣品通過測試之後就能得到C樣，然後開始準備量產相關工作。

圖五是AQG324裏的模塊測試相關項

圖五AQG324模塊測試相關項

最左邊一列可以說就是AQG324的測試項目，至於具體的測試條件和開發的模塊等有關係。這些都是Si的測試項。

下麵把AQG324大致展開來看一下，它都測試哪些內容，它背後的邏輯是怎樣的。

圖六是AQG324的框架，從這個AQG324的框架我們可以看出它的背後的邏輯。

圖六AGQ324框架

shouxiantexingceshiquebaocanjiaceshidemokuaidejibentexing，jianliyigetexingcanshudebiaozhun，yonglaihehoumiandeyixieshoumingxiangguanceshibidui，zuoweishixiaodepanduanbiaozhun。huanjingceshizecezhongyuyixiejixietexingxiangguandeceshi。shoumingceshizeconggefangmiankaohelemokuaifengzhuangyijixinpiandekekaoxing

，bingqietongguogonglvxunhuanceshijieheqichechangshangdelupu（mission profile）可以計算出功率模塊的壽命。這個就是AQG324的一個目的，通過一係列的測試來推算出功率模塊的使用壽命。

圖七是平麵結構的SiC結構示意圖以及SiC功率模塊的結構示意圖。從圖七(a)可以看到芯片也是一層一層的堆疊起來的，一般MOS的芯片差不多在15-20層之間。AQG324的壽命測試裏的HTGB，HTRB以及H3TRB和HTSL/LTS等主要是對SiC的de芯xin片pian各ge層ceng進jin行xing了le測ce試shi，而er功gong率lv循xun環huan則ze是shi向xiang上shang文wen所suo展zhan開kai的de那na樣yang對dui芯xin片pian和he下xia麵mian的de陶tao瓷ci基ji板ban以yi及ji散san熱re基ji板ban的de連lian接jie部bu分fen進jin行xing了le測ce試shi。其qi實shi測ce試shi隻zhi是shi最zui後hou的de驗yan證zheng考kao核he的de手shou段duan之zhi一yi，整zheng個ge項xiang目mu從cong一yi開kai始shi就jiu要yao針zhen對dui這zhe些xie測ce試shi可ke能neng會hui照zhao成cheng的de失shi效xiao進jin行xing有you針zhen對dui性xing的de設she計ji。所suo以yi從cong芯xin片pian的de研yan發fa、生產的工藝以及模塊的研發和生產工藝都要針對AGQ324來展開。這也就是我們常說的“design for Quality”

圖七 SiC芯片結合和SiC功率模塊結構

圖八是矽基功率模塊和WBG功率模塊差異部分。它們的差異主要是集中在壽命測試相關的項目。

圖八 AQG324Si和SiC測試差異

下麵我們將從功率循環、高溫反偏、高低溫反偏等幾個方麵來展開
，看看在AQG324測試中對SiC功率模塊的哪些方麵進行了測試
，有哪些方麵的挑戰

功率循環測試 Power Cycling 

這裏有兩個條件一個是分鍾級別的一個是秒級的。我們可以從圖八的溫度曲線看出它們的差異。

圖九 PC_Sec Vs PC_Min

I. 在秒級的功率循環裏
，由於Ton和Toff的時間比較短，所以可以看到芯片的節溫會上升比較快，但是Tc也就是外殼的溫度上升比較緩慢，這樣的衝擊其實對於和芯片接觸的地方相對來說會集中一些
，也就是主要側重於測試芯片bonding和芯片與下麵基板焊接的可靠性。

II. 在分鍾級別的功率循環裏，由於開關周期比較長，所以Tc的變化會比較大，同時溫度也是以Tcweizhun，zheyangdehuaduiyujibanhexiamiandesanreqidehanjiechudechongjixiangduihuidayixie，suoyiwomenkeyilijieweitacezhongyuceshijibanhexiamiandesanreqidehanjiexingneng。

這兩個功率循環的測試，對於Si和SiC來說，是相似的，但是由於SiC可以承受更高的工作溫度，現在有不少的廠家在針對SiC的功率循環測試裏把Tvjmax=200度也加到了測試條件裏。安森美的SiC功率模塊新的也都有做一些針對性的測試。由於SiC芯片和IGBT芯片相比麵積要小不少,所以熱阻也要大不少

，在這裏對於SiC芯片的互聯技術就提出了一定的挑戰

，這裏就包含了SiC的源極的互連
，傳統的bonding線，它們的功率循環的次數和相同條件下的比如clip的焊接等方法比就要略差一些。

功(gong)率(lv)循(xun)環(huan)還(hai)有(you)一(yi)個(ge)作(zuo)用(yong)就(jiu)是(shi)可(ke)以(yi)把(ba)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)中(zhong)的(de)一(yi)些(xie)致(zhi)命(ming)缺(que)陷(xian)暴(bao)露(lu)出(chu)來(lai)，由(you)於(yu)整(zheng)個(ge)芯(xin)片(pian)是(shi)由(you)成(cheng)千(qian)上(shang)萬(wan)個(ge)基(ji)礎(chu)的(de)開(kai)關(guan)單(dan)元(yuan)構(gou)成(cheng)的(de)
，這(zhe)些(xie)單(dan)元(yuan)中(zhong)任(ren)一(yi)個(ge)單(dan)元(yuan)如(ru)果(guo)有(you)一(yi)些(xie)致(zhi)命(ming)的(de)缺(que)陷(xian)

，那(na)麼(me)在(zai)功(gong)率(lv)循(xun)環(huan)中(zhong)會(hui)加(jia)速(su)它(ta)們(men)的(de)老(lao)化(hua)然(ran)後(hou)導(dao)致(zhi)失(shi)效(xiao)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)整(zheng)個(ge)功(gong)率(lv)循(xun)環(huan)次(ci)數(shu)降(jiang)低(di)。

圖十是節選自AQG324的一些典型的功率循環失效模式。從這裏我們可以清晰的看到秒級功率循環導致的bonding線脫落，芯片的金屬層退化導致焊接質量下降。分鍾級的功率循環導致的DBC裂痕等失效現象。

圖十典型的功率循環失效模式

High-temperature gate bias (HTGB)高溫柵極偏壓測試

由於SiC的Vgs在偏壓的條件下會隨著時間的累加而漂移，因此HTGBkeyimonijiasutiaojianxiadegongzuozhuangtai
，yongyuxinpiandekekaoxingyanzhenghemenjidekekaoxingjiance。bingqiekeyifaxianyouyushengchanguochengzhongdaozhideyixiecailiaowuran。duiyuSi和SiC器件和模塊來說HTGB都是強製要求的。

Dynamic gate stress (DGS)

室溫下的DGS測試對於SiC功率模塊來說是必須的
，現在這個測試的條件還在討論當中還沒有最終定稿。這個測試不僅僅涉及到芯片也涉及到模塊
，因為現在的SiC功率模塊大多數都有多個SiC的芯片來並聯達到大電流的輸出能力，那麼模塊的layout也會影響到芯片的Vgs,這也是為什麼針對SiC功率模塊必須要考慮DGS測試。如果設計的不好，在動態條件下SiC的Vgs會飄移同時也會導致Rdson增加進而導致效率降低。

圖十一 Dynamic gate stress 

我們在圖十二可以看懂不同的失效模式，這些都可以通過HTGB和DGS測試發現。

圖十二各種HTGB失效模式

High-temperature reverse bias (HTRB)

可(ke)以(yi)很(hen)好(hao)的(de)檢(jian)測(ce)出(chu)來(lai)芯(xin)片(pian)的(de)鈍(dun)化(hua)層(ceng)結(jie)構(gou)或(huo)者(zhe)是(shi)芯(xin)片(pian)的(de)終(zhong)端(duan)結(jie)構(gou)的(de)缺(que)陷(xian)，同(tong)時(shi)生(sheng)產(chan)中(zhong)或(huo)者(zhe)封(feng)裝(zhuang)材(cai)料(liao)裏(li)的(de)有(you)害(hai)的(de)一(yi)些(xie)離(li)子(zi)汙(wu)染(ran)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)這(zhe)個(ge)測(ce)試(shi)發(fa)現(xian)，同(tong)時(shi)由(you)於(yu)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)的(de)不(bu)同(tong)的(de)材(cai)料(liao)間(jian)的(de)溫(wen)度(du)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)也(ye)會(hui)導(dao)致(zhi)芯(xin)片(pian)的(de)鈍(dun)化(hua)層(ceng)完(wan)整(zheng)性(xing)受(shou)到(dao)破(po)壞(huai)，這(zhe)個(ge)測(ce)試(shi)對(dui)於(yu)Si或者SiC來說是相似的
，但是對於SiC的模塊來說動態的反偏測試是強烈建議的。

1.1.1 Dynamic reverse bias (DRB)

DRB對於IGBT是不做要求的，需要注意的一點是對於DRB，如果在AECQ101沒有做過這個測試
，那麼在SiC的功率模塊是必須要做的。這個測試的目的是通過高dv/dt對內部鈍化層結構進行充放電進而使芯片加速老化。

圖十三Dynamic reverse bias

High-humidity, high-temperature reverse bias (H3TRB)

這(zhe)個(ge)測(ce)試(shi)為(wei)了(le)驗(yan)證(zheng)整(zheng)個(ge)模(mo)塊(kuai)結(jie)構(gou)中(zhong)的(de)薄(bo)弱(ruo)環(huan)節(jie)
，包(bao)括(kuo)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)本(ben)身(shen)。大(da)多(duo)數(shu)模(mo)塊(kuai)設(she)計(ji)很(hen)難(nan)做(zuo)到(dao)完(wan)全(quan)密(mi)封(feng)。半(ban)導(dao)體(ti)芯(xin)片(pian)和(he)接(jie)合(he)線(xian)嵌(qian)入(ru)可(ke)滲(shen)透(tou)濕(shi)氣(qi)的(de)矽(gui)膠(jiao)中(zhong)。這(zhe)允(yun)許(xu)濕(shi)氣(qi)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)也(ye)到(dao)達(da)鈍(dun)化(hua)層(ceng)。芯(xin)片(pian)鈍(dun)化(hua)層(ceng)結(jie)構(gou)或(huo)鈍(dun)化(hua)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)中(zhong)的(de)弱(ruo)點(dian)以(yi)及(ji)芯(xin)片(pian)邊(bian)緣(yuan)密(mi)封(feng)中(zhong)的(de)弱(ruo)點(dian)在(zai)濕(shi)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)下(xia)受(shou)到(dao)負(fu)載(zai)的(de)不(bu)同(tong)影(ying)響(xiang)。汙(wu)染(ran)物(wu)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)濕(shi)氣(qi)傳(chuan)輸(shu)轉(zhuan)移(yi)到(dao)關(guan)鍵(jian)區(qu)域(yu)。從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)失(shi)效(xiao)。

對於 H3TRB是Si和SiC差別比較大的地方。 圖十四是針對SiC的H3TRB的測試條件。它和針對Si的IGBT的條件差別就是加在器件上的電壓不一樣。Si的要求是強製要求80V
，而SiC則是必須80%的VDSmax。

圖十四 SiC H3TRB

圖十五我們可以看到在H3TRB測試中由於器件的設計或者模塊封裝原因導致的一些失效。也說明這個測試是比較有效的可以發現edge terminal設計,封裝,鈍化層等等方麵的缺陷。

圖十五 H3TRB缺陷

(dyn.H3TRB)

這個測試是專門針對SiC功率模塊的，該測試是SiC模塊技術的附加通用芯片可靠性測試。這個測試項目還沒最終定稿。由於SiC的dv/dt比IGBT等Si器件要高很多，所以針對這個高dv/dt條件下，芯片和模塊的薄弱環節是否能被檢測出來？這個標準還在探索中。當然即使是這樣，安森美最新的SiC功率模塊也都會進行相關的測試。

圖十六 dyn.H3TRB

下麵的兩項目前還在研究當中

High-temperature forward bias (HTFB)

Dynamic forward bias (DHTFB)

從上麵的文章我們可以發現針對SiC功率模塊的測試標準還沒有定稿，還有一些項目沒有完全確定，這是因為SiC的應用和器件還在發展中。安森美作為一家垂直整合了整個SiC供應鏈的IDM，也在密切的關注和跟隨著AQG324的發展，並在最新的產品開發中應用它來保證自己的產品的可靠性。

通過上文的分析我們了解到了AQG324測試標準從各方麵測試了SiC功率模塊的性能
，裏麵涉及到芯片和封裝等，它是一個比較全麵的測試。但是一個功率模塊通過AQG324的測試
，僅僅代表了整個功率模塊的工藝等通過了基本的測試和驗證。整個模塊的可靠性是通過芯片研發、芯片工藝、模塊研發、模塊工藝、封裝和測試等一個完整體係的保證
，不是簡單的某一個步驟能保證的。

下麵的兩個功率模塊是安森美前兩年量產的SiC功率模塊

圖十六是塑封半橋的SiC功率模塊
，圖十七是SSDC的三相橋模塊。目前都已經在各大車廠獲得了廣泛的應用。說明了安森美的SiC功率模塊在經過AQG324測試之後表現出來的質量穩定性獲得了相關客戶的認可。

圖十七 半橋塑封SiC功率模塊

圖十八 三相橋SSDC 900V SiC功率模塊