广电计量|车载功率半导体常见失效机理及案例（封装篇）

近年来，广大消费者可明显感受到身边新能源汽车已占据了日常出行的“半壁江山"，四月汽车销售榜单更是从数据上印证了这一点。

新能源汽车虽然愈发流行，但仍不免有很多车主对安全性持有怀疑态度，而维护新能源汽车安全性的其中一个关键就是确保汽车的大脑--车载芯片的有效性。对车载芯片进行失效分析以保证车主及道路行人的安全，正是广电计量元器件与失效分析实验室的日常课题。

今天将从车载功率半导体行业需求背景及具体案例，来说说新能源汽车功率半导体可靠性这个大家都关心的问题。

一、车载功率半导体行业需求背景

功率半导体是构成电力电子转换装置的核心器件，电能转换领域开关控制等均需要用到，在新能源汽车领域应用尤为广泛。据由社会科学文献出版社正式出版发行的《汽车大数据应用研究报告（2021）显示，预计2025年混动+新能源车达到两千万辆，同时由于更先进的电子技术被不断应用，功率半导体将得到大量普及，预期会占到汽车电子价值量的一半以上。

与此同时，车载功率半导体（特别是第三代半导体）的研发、生产在国内尚处于起步阶段，国际上对其各种失效模式、失效机理的研究也有限。车载半导体器件工作环境恶劣，工作时功率高、发热大、可靠性异常问题多发，其安全性、可靠性、稳定性一直是困扰器件厂、主机厂的问题。

研究并积累车载功率半导体常见失效模式、失效机理，进而对产品加以改进，提供更可靠的功率半导体给车厂，促进汽车产业链长效发展是业内共同愿望。

案例一：镀锡引脚变色分析

背景介绍：器件做完湿度类（HAST、HTRB）试验后，管脚变色严重

机理分析：变色原因主要是镀锡层吸湿表面容易形成水膜，并与空气中氧参与下表面形成无数电化学微原电池，锡作为电池一电极失去电子被氧化，容易形成SnO（一氧化锡），通常表现为黑色或棕黑色。该物质在空气中较稳定，继续加热容易形成SnO2（氧化锡）为白色立方晶体。

案例二：冲击试验后键合脱落、剪切不合格分析

背景介绍：器件做完温度冲击类（IOL、TC）试验后，内键合开路或剪切力不合格

机理分析：键合剪切力变小或键合脱落原因主要是反复的热应力膨胀收缩产生金属机械疲劳，使键合从两头（跟部、趾部）开始产生裂纹（并且可见趾部裂纹延伸比跟部严重，这证明键合趾部弱于跟部）。通过离子研磨及金相处理后可以清晰看到裂纹沿着金属细化区中晶界面边界延伸（该细化区是由于键合造成的晶粒重构尺寸变化）。进一步使用FIB处理后再用TEM放大分析，同时可见源区个别晶界也产生裂纹并延伸到衬底。

案例三：温度试验后铝电极黑化分析

背景介绍：器件做完温度冲击类（IOL、TC）试验后，内部电极铝PAD严重变黑

机理分析：变黑原因主要是铝层发生金属化重建造成表面变粗糙，发生漫反射变黑。由于硅与铝有不同的热膨胀系数（硅基芯片随温度升高扩张为 2~4 ppm / K，金属铝为23.5 ppm / K）。可见铝层在温度升高阶段会承受来自硅基芯片的压缩应力，此周期性压应力会在铝层弹性超过导致粒子间的塑性变形（通常这种情况的结温>110℃），塑性变形进而导致了单个粒子的外突，最终导致表面粗糙无光泽。同时温度降低阶段存在拉伸应力，此拉伸应力如果超过弹性限度会导致空化效应晶界，通常会表现为铝层密度降低，电阻增加。这会降低器件承受浪涌电流的能力，但是该铝层重建现象在有物质覆盖时会被抑制（图片可见钝化层覆盖位置没有变黑现象），因此键合位置影响很小。试验后只需关注键合测试结果是否合格即可。

一、结语

以上分析综合使用了物理、化学、金属材料学综合交叉知识，同时使用了金相显微镜、离子研磨CP设备、FIB双束聚焦离子束、透射电镜TEM等高阶分析设备。除设备外，还要求分析人员熟练掌握元器件基本结构、材料，最终结合微区操作物理、化学制样能力。综合以上种种能力才能将半导体器件内部缺陷的暴露进而分析。

二、广电计量解决方案

广电计量经过在功率半导体方面数年积累，形成了博士7人、硕士13人的专业人才团队，各方面研究方向同步业内先进研究进展；并且研究设备均为业内多套设备（静态/动态参数测试：B1505A、B1506A、SW8200A等，物理分析：T3Ster、DB FIB、FE SEM、TEM、InGaAs、ORBICH、Thermal Emmi等）；

技术先进性：广电计量结合AEC-Q/AQG324车规认证大量的案例数据库，积累了丰富的各种应力环境导致的失效模式、失效机理分析材料，同时积累了丰富的结构分析经验、制样经验。可以快速准确地协助客户进行功率半导体失效根因判定、机理分析。