SiC EVs强调生产

车辆的电气化助长了对碳化硅功率集成电路的需求,但它也创造挑战找到并确定缺陷的芯片。

与这越来越多的人意识到是多么不成熟原文如此技术仍然需要做多少工作,很快就会发生。汽车制造商正在严重到电动车,过渡从400 v到800 v的电池系统正在加速从IGBT过渡到SiC设备电动汽车动力模块。碳化硅的结果将是一个指数增长需求,所有它需要完美的运作。

“电力半导体市场正经历着重大的变化,由于电动汽车的快速增长(EVs)和可再生能源,”Frank Heidemann说,副总裁和技术组领导人国家仪器。“这转换驱动器需要提高效率,特别是在汽车行业,导致出现的宽禁带技术,如碳化硅和氮化镓的。”

SiC设备拥有几个属性,使它成为一个更好的选择比硅IGBT设备。

“功率密度,更高的电压,和有吸引力的热性能是三件事真的让硅carbide-powered设备对人的吸引力是非常有效的汽车司机,或非常密集的汽车司机或收敛电路,”杰伊·卡梅伦说,高级副总裁的权力在Wolfspeed ICs。“我们看到很多应用程序需要重要的权力,但在更小或更轻的形式因素。如果你正在寻找的能力有轻量级系统,使用更少的铜、SiC你有一个机会voltage-for-current权衡,同时仍然维持高功率水平。”

电力电子还有助于减肥,在车辆的影响范围。应用能量模块需要更少的ICs,他们不需要冷却,减少所需的热解决方案的数量。这些模块执行一系列基本电压转换之间的各种电池系统,和充电站和电池之间的系统,汽车和电池系统。

IGBT设备主ICs在400 v电池系统支持这些功能。降低总功率模块成本,工程师们已经开始从igbt转向SiC设备,但这种转变正在加速转换从400 v到800 v的电池汽车。碳化硅可以高达1200 v。

图1:系统图Mitsubushi iMiEV使用功率集成电路的显示模块的位置。3.0源维基共享,Creative Commons许可冲锋队

来满足日益增长的需求原文如此,这个行业需要提高产量。这意味着解决长期以来放缓碳化硅生产制造挑战。这些挑战包括设备成本高,以及缺陷和可靠性问题。解决成本,碳化硅衬底制造商从150 mm到200 mm晶圆。但这种预期指数增长为筛选SiC设备提出了挑战,这就需要创新从制造商和供应商的检查和测试。

“这些宽禁带设备行尾(EoL,即构成独特的挑战。结束,测试晶圆制造过程,包、模块、系统)测试,因为他们表现出不同的失效机制和模型与传统的硅设备相比,“倪的Heidemann说。“此外,测试它们的可靠性和高电压环境下,2000伏或更高,为生物提供了一个重大的挑战测试系统,以前没有这样的需求而设计的。”

碳化硅的生产过程有时会导致缺陷影响基本功能和性能特性,需要筛选检查和电试验。高电压和大电流测试需要精心设计的测试系统,提供必要的电流和电压,以及不可避免的发生短路时保护设备。

直到现在,在低容量检查已经完成。扩大高体积需要有效和具有成本效益的创新筛查。

检验和计量方法
硅和碳化硅功率集成电路的一个关键区别与衬底的增长有关。作为一个均匀的晶体结构、硅已经几次表面缺陷。相比之下,碳化硅通过化学气相沉积生长,这可能会导致广泛的地下堆积层错和micro-pipes等缺陷。在随后的外延生长,晶体缺陷可以传播。因为碳化硅是一种脆性材料,更容易受到表面划痕、凹坑等缺陷,从而影响整个晶片。

此外,碳化硅晶片在处理过程中容易破碎,锯成死为裂缝,引入了更多的机会可以传播。因此,检查整个晶片和组装过程是至关重要的。

由于它的高吞吐量,工程师在碳化硅生产主要依靠光学检测系统。许多公司提供专门的光学检验工具,原文如此,包括审查和分类能力。

计量不太简单。计量反馈包括各种过程工程师需要测量的参数,包括衬底平面性和厚度、晶格取向、电阻和表面粗糙度。反过来,这些需要一套不同的系统。

“白光干涉法(WLI)分析器使用衬底制造商网站的质量保证/质量控制测量晶圆表面粗糙度(sub-nm)是的,GaN和原文如此,”桑德拉·伯格曼说产品经理白光干涉仪力量。“SiC基质生产更具挑战性。抛光由于其硬度是困难的。因此," WLI是至关重要的优化/抛光过程的追踪。”

SiC设备可以是平面或trench-based技术。" WLI沟深度计量尤其有用。

使用“高纵横比沟深度测量高压集成电路过程中," WLI能解决2µm从开幕到40µm深度,“伯格曼说。“这是无损平行检验的视场内的战壕。我们通常用5 x²客观与0.5毫米审讯。我们还提供完整的变化沿沟深度的视野。”

晶片检查需要考虑表面缺陷和次表面缺陷,后者被特定的进口原文如此。

”光学检验技术用于缺陷检查,x射线光致发光用于计量,“Burhan阿里说,在产品营销经理进行检查上的创新。“光学检验面临的挑战是有效地发现表面缺陷在高吞吐量,但很快耗尽时蒸汽地下晶体缺陷。在这些情况下,光致发光技术被证明是卓有成效的探测地下晶体缺陷对碳化硅衬底和外延层。”

检查整个装配过程发生。高吞吐量和设备投资低、光学是首选方法。但光学仅限于表面缺陷。探测地下中度到高缺陷密度,x射线是首选的解决方案,因为它可以在2 d高速运行。声学检验,同时,可以很容易地检测分层,但它需要部分浸在水里。

“手动、光学、x光检查非破坏性方法,”乔治•哈里斯说,副总统的全球测试服务安靠。“基本x射线检查可用于检查包装的完整性。大部分的系统性缺陷模式与x射线很容易识别,因此它很受顾客的欢迎。破坏性力学浆纱切片包装和扫描电子显微镜可以在专门的失效分析实验室,每个客户请求。”

检查并不局限于电问题。它还可以用来识别缺陷会影响热管理。

“在包装领域,大多数电子缺陷与电线交叉/接触成型过程,造成短,”布拉德·珀金斯说,产品线总监诺信测试和检验。“也需要看看热保护,这也是为什么工程师检查附加死去,因为这是热管理的一部分。空隙太大,过高的总百分比排尿,或一个足够大的分层将导致模具热点,导致过早失效。尽可能多的高可靠性的应用程序中使用的电力设备(汽车、火车、风车等)失败的代价会非常高,所以检查缺陷会导致过早失败非常cost-beneficial制造商。”

图2:x射线空白检查。诺信源测试和检验

测试方法
批量生产的碳化硅是相对较新的,所以是它的使用在汽车应用程序。因此,严格的测试流程设计,以确保质量和可靠性。测试是在多个温度,电压和频率。这是至关重要的,因为缺陷可以出现良性以较低的频率和电压,然后体现在更高的频率和/或电压。

因为他们的模拟自然,功率集成电路需要进行功能和性能测试。功率集成电路,测试分为静态和动态测试,即。直流和交流。静态测试是在室温下完成的,而动态测试是在高温下进行的。

“静态测试不是一个挑战了,因为测试设备测试(DUT)在稳定状态下,”法比奥·马里诺说,董事总经理意大利效果显著。“这意味着低功率。即使是超高电压,低电流,如果是超级大电流低电压。真正的工程社会是动态测试的挑战。动态测试是极高的权力,因为它测试DUT从关闭状态,过渡和vice-a-versa。这意味着很高的电流在非常高的电压。而过渡代表一个很小的时间,以极高的权力。”

可靠性的担忧与门阈值漂移中观察到宽禁带的设备也驱动了严格的测试。

“关于测试、检验和生物我们需要进行更全面的测试和设备特征进行深入探索。例如,门漂移,这一现象具体宽禁带设备,在不同市场参与者之间的差异显著。一些展览戏剧性的漂移在汽车的生命周期中,当别人显示最少的漂移,”倪的Heidemann指出。“有趣的是,即使在相同的供应商,可以不同的行为从一个设备一代到另一个地方。因此,更需要全面的测试,包括生物和资格,更要求相比,硅的世界。”

今天,晶圆测试细胞不能运行动态测试,因为晶片夹头有一个非常高的杂散电感。在晶圆测试工程师只使用静态测试。即便如此,由于高电压被应用,引发的风险,会损害良好的设备。

“因为这是一个物理的挑战,这是多年来处理相同的方式——通过管理气隙,当然,管理空气,”汤姆Tran说产品经理对权力分立器件Teradyne。“随着电压开始爬向400 v,通常我们看到一个转变只用物理间距增加压缩空气干燥(CDA)通过一个压力室,对晶片席位。”

晶圆测试的电流限制促使开发裸模的测试。

“功率模块是最健壮的包,我们可以部分测试静态和动态,“效果显著的马里诺说。但缺点是这些包包含多个交换机- 6 48。如果一个开关坏了,那么你垃圾全包,这是非常昂贵的。这就是为什么客户转移到一个中间测试为衬底,如总装之前。所以有点不那么昂贵,但仍然有6 48设备。突破性创新是测试裸死。这个屏幕上每一个开关(静态和动态测试)。只有组装好死,客户可以受益的组装成本。”

图3:测试插入晶片,死,包,和电源模块。来源:效果显著

裸模测试带有破坏性的探针卡的风险和/或吃如果失败死汇高电流。但是工程师们想出了一个办法解决这个问题。

”搬到裸死,克雷亚(现在效果显著的一部分)专门开发的专利技术——探针卡接口(PCI),”马里诺说。“这是硬件和软件算法,检测异常的电流消耗。探针卡测试裸死有3000针/死因为每个针只能开1安培。测试人员之间和探针卡PCI,硬件盒子。PCI监控电流在每个针,或一组针头,探针卡。的异常电流分布或当前消费(由于失败的一部分),一种总线标准立即关闭电源。部分失败,但查克,探针卡,测试人员受到保护。”

图4:比较没有探针卡的测试系统和接口系统。来源:效果显著

一旦死亡被组装到一个包中,测试可以屏幕与包相关的缺陷和缺陷体现在动态测试。

“包有关缺陷机制通常是通过改变行为测试从晶片包级别测试,除了局部放电测试,“Teradyne的Tran说。“虽然局部放电更侧重于包装和材料方面,电气测试可以揭示物理故障和包装过程中,比如连续性错误由于受损导线焊接,或损坏的分离过程。筛查也可以发生在考试意味着转移和分配从晶圆测试到最后的封装测试。”

可靠性相关缺陷检测是非常重要的,和现有标准指导测试部分资格和生产制造。

“我们使用各种测试方法对行尾和资格的目的,“倪的Heidemann说。“资格而言,行业标准电平和ECPE AQG324定义动态测试场景特别适合碳化硅,引入新材料和不同的故障模型。因此,资格需要大量的动态测试,包括动态H3TRB DGS,和DRB测试,等等,这是相对较新的igbt相比。同样,行尾环境中,大范围的动态测试场景,不同的从一个客户到另一个。然而,它可以表示行结束测试广泛涉及高温和高压环境下进行动态测试。我们的目标是确保这些设备动态测试,以防止故障的发生影响整个生产系列。”

未来的发展
处理对SiC设备的需求,晶圆厂正从150到200毫米晶圆。测试和检查流程支持能力,专家给出了多种创新,会有所帮助。这些范围从改变测试系统使用过程中观察到的缺陷分析,以更好地理解电影响检查。

早些时候在测试系统可以改变筛选功能创新的制造流程和增加吞吐量。一个这样的创新将是一个晶片查克启用动态测试晶片。这需要从600减少查克杂散电感微亨小于100毫微亨利。

目前,包测试支持单只是测试。测试电池使用一个大型处理程序部分几个测试人员之间移动,每次测试运行在特定的温度和运行动态或静态测试。搬到多站点测试将降低整体成本。然而,有一个巨大的工程挑战并行运行高能源测试。这需要吃创新设计。

一个意想不到的差距是处理程序的可用性,特别是对裸死。

“最大的挑战来自于处理程序。我们没有足够的处理器供应商或处理程序在市场上,”马里诺说。“处理程序公司宣布一年多时间,而我们四个月交货时间。因此,市场风险窗口。这就是为什么我们要求探测器供应商进入游戏。探测器公司有相同的核心业务——半导体。但自动化公司有一个很大的各种行业的支持,从观察组装半导体”。

连接数据各生产步骤以一致的方式也可以使制造过程的优化和缺陷影响的理解。

“与测试站致力于特定部分的完整的测试列表,数据的完整性是很重要的,”公司的哈里斯说。“最近把收集到的数据迁移到内部网云,数据分析算法不断测试流程,测试设备和系统包和制造相关的失败的机制。工厂自动化使得闭环控制和产量提高。光学和电子技术用于单位级跟踪。”

这样的数据连接将使碳化硅生产加速产生学习和整体测试的成本越低。

”在一般情况下,化合物半导体技术——无论是碳化硅、氮化镓、砷化镓,输入,否则,就是硅是许多年前的事了。它可能需要多年的努力和投资低成本没有缺陷的8英寸基板。在可预见的未来,衬底和epi-wafer质量仍将关注的问题,”产品管理主管Steve Zamek说PDF的解决方案。“找到并确定衬底缺陷只是第一步。接下来是聚合所有数据类型——缺陷检查和审查,内联计量和电气测试数据——在一个平台。这是一个简单的问题,因为这些数据得到了在地理上分散的工厂和工具。但是一旦这样做是,制造商能够构建预测分析模型以最大限度地提高效率。那些更早到达那里将从中获利。”

其他人同意实现可追溯性是重要的。与权力ICs没有电子ID,因此可追溯性是一个挑战在组装和测试。

“后端设备,设备ID,可以跟踪、“Dieter Rathei所指出的,公司的首席执行官博士产量。“然后你有很多设备,你失去了从晶片分离后的设备级的可追溯性。然后你看到设备的情况下混合批次。除非你知道哪个晶片晶圆已经投入这批数据相关性和包是不可能的。”

结论
电动汽车生产的预期增长为工程团队负责创建一个挑战SiC IC生产。燃料的需求变化从150 mm到200 mm晶圆生产,还强调目前的检验和测试过程。许多注意,SiC技术成熟度就像三十年前的硅技术。随着技术的不断成熟,以满足需求,工程团队将需要解决defectivity改善测试系统和变化,减少吞吐量时间测试和检验流程。

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