市场机遇正在推动寻求减少碳化硅（SiC）功率集成电路缺陷更好方法的需求。
汽车电气化推动了对碳化硅功率 IC 的需求，但也给发现和识别这些芯片中的缺陷带来了挑战。
与此同时，人们越来越认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。汽车制造商正在大力发展电动汽车，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。其结果将是 SiC 需求呈指数级增长，并且所有这些都需要完美运行。
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：“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。“这种转变推动了对提高效率的需求，特别是在汽车领域，从而导致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。
Wolfspeed 功率 IC 高级副总裁 Jay Cameron 表示：“功率密度、更高的电压和有吸引力的热性能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。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，从而影响车辆的行驶里程。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 转向 800V，这种转变正在加速。SiC 的工作电压高达 1200V。
图 1 三菱 iMiEV 的系统图，显示了使用电源 IC 的模块的位置。来源：维基共享资源，知识共享许可 BY-SA 3.0
为了满足碳化硅不断增长的需求，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 （6寸）晶圆转向 200mm（8寸）晶圆。然而，这种预期的指数增长给 SiC 器件的筛选带来了挑战，这将需要制造商以及检验和测试仪供应商进行创新。
NI 的 Heidemann 说：“这些宽带隙器件在生产线末端（EoL，即在晶圆、封装、模块、系统的制造过程结束时执行的测试）测试提出了独特的挑战，因为与传统器件相比，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 测试系统提出了重大挑战，因为EoL测试系统以前不是为满足此类要求而设计的。”
SiC 的制造过程有时会产生影响基本功能和性能特性的缺陷，因此需要通过检查和电气测试进行筛选。高电压和高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。扩大规模需要创新，以确保筛查有效且具有成本效益。
检查和计量方法
硅和 SiC 功率 IC 之间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 晶圆在处理过程中很容易破裂，切分成裸片将更容易产生裂纹，并且裂纹会蔓延。因此，在整个晶圆和组装过程中进行检查至关重要。
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。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。反过来，这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 器件可以采用或基于沟槽的技术。WLI对沟槽深度测量特别有用。
Bergmann 说：“对于高压 IC 工艺期间的高深宽比沟槽深度测量，WLI 可以解析从 2μm 开口到 40μm 深度的分辨率，能对视野内的所有沟槽进行并行检查而不造成破坏。我们通常使用5倍物镜和0.5mm2询问场，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，后者对于 SiC 尤为重要。
Onto Innovation检测产品营销经理 Burhan Ali 表示：“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。光学检测面临的挑战在于，它能够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。在这些情况下，光致发光技术已被证明可以有效地检测 SiC 衬底和外延层上的亚表面晶体缺陷。”
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。但光学仅限于表面缺陷。对于检测中等到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。
Amkor Technology 全球测试服务副总裁 George Harris 表示：“人工、光学、X 射线检测都是非破坏性方法。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。根据客户的要求，可以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。”
检查不仅限于电气问题，还可用于识别可能影响热管理的缺陷。
诺信测试与检验公司的产品线总监 Brad Perkins 表示：“在封装领域，大多数电气缺陷都与导线交叉/接触成型过程并导致短路有关，还需要考虑到热保护，这就是工程师检查芯片连接的原因，因为这是热管理的一部分。空隙太大、空隙总百分比太高或分层足够大都会导致模具中出现热点，从而导致过早失效。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于制造商来说非常划算”。
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，其在汽车应用中的应用也是如此。因此，人们设计了的测试流程以确保质量和可靠性。测试是在多种温度、电压和频率下进行的。这是必要的，因为缺陷在较低频率和电压下可能看起来是良性的，但随后在较高频率和/或电压下就会显现出来。
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来说，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，而动态测试在高温下进行。
意大利 Advantest 董事总经理 Fabio Marino 表示：“静态测试不再是一个挑战，因为被测设备 (DUT) 是在稳定状态下进行测试的，这意味着低功率。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。动态测试的功率极高，因为它测试 DUT 从 ON 状态到 OFF 状态的转换，反之亦然。这意味着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，但它的功率却非常高。”
在宽带隙器件中观察到的栅极阈值漂移相关的可靠性问题也推动了严格的测试。
NI 的 Heidemann 指出：“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器件特性。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存在显著差异。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。但有趣的是，即使在同一供应商内，一代设备的行为也可能有所不同。因此，对包括 EoL 和资格认证在内的全面测试的需求更大，与硅相比，要求更高。”
如今，晶圆测试单元无法运行动态测试，因为晶圆卡盘具有非常高的杂散电感。工程师仅在晶圆分类时使用静态测试。即使如此，由于施加了高电压，仍然存在产生火花的风险，从而损坏良好的设备。
Teradyne 功率分立器件产品经理 Tom Tran表示：“由于这是一项物理挑战，多年来一直以同样的方式处理的——通过管理气隙，当然还有管理空气。随着电压开始攀升至 400V 及以上，我们通常会看到从仅使用物理间距转向通过紧靠晶圆的压力室添加压缩干燥空气 (CDA)。”
Advantest 的 Marino 说：“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，但缺点是这些封装包含多个开关——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芯片，这会筛选每个开关（静态和动态测试），通过仅组装好的模具，客户就可以在组装成本方面受益。”
图 3 测试插入跨越晶圆、芯片、封装和电源模块。来源：Advantest
如果失效芯片吸收高电流，裸芯片测试就可能会损坏探针卡和/或 ATE。但工程师们已经找到了解决这个问题的方法。
Marino 说：“在转向裸芯片的过程中，CREA（现为 Advantest 的一部分）专门开发了一项专利技术——探针卡接口（PCI），这是检测异常电流消耗的硬件和软件算法。用于测试裸芯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（硬件盒）。PCI 监视探针卡中每个针或针组中流动的电流。如果电流分布或电流消耗异常（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 具有和不具有探针卡接口系统的测试系统之间的比较。来源：Advantest
一旦芯片被组装成封装，测试就可以筛选与封装相关的缺陷以及动态测试期间出现的缺陷。
Teradyne 的 Tran 表示：“除了局部放电测试之外，通常还通过从晶圆级测试到封装级测试的行为变化来测试特定于封装的缺陷机制。虽然局部放电更多地关注封装和材料方面，但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导致的连续性错误，或分割过程中的损坏。筛选还可以在从晶圆分类到最终封装测试的平均漂移和分布检查中进行。”
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。
NI 的 Heidemann 表示：“我们采用各种测试方法来实现终端和认证。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，以引入具有不同故障模型的新材料。因此，鉴定需要进行大量的动态测试，包括动态 H3TRB、DGS 和 DRB 测试等，这些测试与 IGBT 相比相对较新。同样，在终端环境中，会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，晶圆厂正在从 150 mm 晶圆转向 200 mm 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阶段改变筛选能力并提高通量。其中一项创新是晶圆卡盘，可以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，封装测试支持仅适用于单站点测试。测试单元使用大型处理程序，在多个测试仪之间移动零件，每个测试仪在特定温度下运行并运行动态或静态测试。转向多站点测试将降低总体成本。然而，并行运行高能测试面临着巨大的工程挑战。这需要 ATE 设计的创新。
一个意想不到的差距是处理程序的可用性，特别是对于裸芯片。
“最大的挑战来自处理者方面。我们市场上没有足够的处理程序供应商或处理程序，”Marino 说。“处理公司宣布的交付时间超过一年，而我们的交付时间为四个月。因此，市场窗口面临风险。这就是我们要求探针供应商参与进来的原因。探针公司有相同的核心业务——半导体。但自动化公司需要支持从手表组装到半导体等多种行业。”
以一致的方式连接来自各个制造步骤的数据还可以优化制造过程并了解缺陷影响。
Amkor 的 Harris 表示：“由于测试站有专门针对完整测试列表的特定部分，因此数据完整性非常重要。“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体测试成本。
PDF Solutions 产品管理总监 Steve Zamek表示：“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。发现和识别衬底缺陷只是第一步。接下来是将所有数据类型（缺陷检查和审查、在线计量和电气测试数据）汇总到一个平台中。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取的。但一旦完成，制造商就能够构建预测分析模型，以最大限度地提高效率。更早实现这些的人将从中受益。”
其他人认为实现可追溯性并非易事。电源 IC 没有电子 ID，因此可追溯性是组装和测试期间的一个挑战。
DR Yield 首席执行官 Dieter Rathei 表示：“在具有设备 ID 的后端设备中，可以进行追踪。但是很多设备在与晶圆分离后就失去了设备级的可追溯性。然后你会看到设备批量混淆的情况。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关联是不可能的。”
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。
文章来源：https://semiengineering.com/sic-growth-for-evs-is-stressing-manufacturing/
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原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：电动汽车对碳化硅需求的增长给制造业带来的挑战
