人类高质量功率芯片诞生记

英飞凌工业半导体 2022-08-19 07:00

TI MCU方案：能源基础设施实时控制 如何提升高压系统的实时性能?

当客户选择英飞凌的产品时，往往浮现于脑海中的第一印象就是质量好，寿命长，故障少。但什么才是真正的高质量，而英飞凌又是怎么做到的吗？这是英飞凌的秘密，今天我小编一步步透露一点。

功率器件负重前行

IGBT 是应用最广泛的可控功率电子开关，一个200A 1200V的IGBT4芯片只有指甲大小。你能想象吗？它可以每个周期快速关断600安培的电流，电流密度高达300安培每平方厘米！这个耐压1200V的IGBT芯片只有纸张的厚度，可以想象围绕芯片的物理界面的机械应力会有多大。

在承受高压大电流的同时，功率器件还要面临复杂的工作环境，高温、高湿、高海拔、宇宙射线等问题无一不制约着功率器件的寿命和可靠性。这样，一颗足够强壮的功率芯片就是实现低故障率的重中之重。

客观认为：

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。

（什么是FIT率？请参考如何理解FIT和MTBF）

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!

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。

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。

举个例子，现在的NPT及FS型IGBT芯片使用高纯度的区熔单晶（FZ）。掺杂浓度的均匀性对功率器件是非常重要的。如果在晶片中存在掺杂浓度（或局部缺陷）的变化，电流可能分布不均匀，特别是在雪崩击穿时，这可能造成局部过热和器件损坏。英飞凌会对来料进行严格的认证检测确保符合生产要求。

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。

举个例子，英飞凌绝大部分的IGBT和所有的SiC MOSFET均使用沟槽栅结构，然而要在坚硬的Si或者SiC表面刻蚀出表面光滑的沟槽并不是一件容易的事，尤其是SiC的莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），在SiC表面刻槽更是难上加难。因此，沟槽栅的设计-制造环节须历经长期技术沉淀。通过酸腐蚀工艺制备沟槽时，须对沟槽的宽度和深度实现精确控制。同时，IGBT 沟槽底部的倒角需要非常圆润光滑，以免影响器件耐压。而沟槽形貌与设备条件、刻蚀工艺和后处理有着十分紧密的联系。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。