确保可靠性：碳化硅产品上市前的开发与制造

从 MOSFET、二极管到功率模块，功率半导体产品是生活中无数电子设备的核心。从医疗设备和可再生能源基础设施，到个人电子产品和电动汽车 (EV)，它们的性能和可靠性确保了各种设备的持续运行。第三代宽禁带(WBG)解决方案是半导体技术的前沿，如使用碳化硅(SiC)。与传统的硅(Si)晶体管相比，SiC 的优异物理特性使基于 SiC 的系统能够在更小的外形尺寸内显著减少损耗并加快开关速度。

由于 SiC 在市场上相对较新，一些工程师在尚未确定该技术可靠性水平之前，对从 Si 到 SiC 的转换犹豫不决。但是，等待本身也会带来风险 —— 由于碳化硅可提高性能，推迟采用该技术可能会导致丧失市场竞争优势。下面将探讨 SiC 半导体产品如何实现高质量和高可靠性，以及 SiC 制造商为确保其解决方案能够投放市场所付出的巨大努力，这些努力不仅提升了产品性能，还确保了卓越的可靠性。

碳化硅的特性及优势

碳化硅拥有独特的物理特性，其晶圆具备坚硬的纤锌矿型原子结构，对比硅的金刚石型原子结构，这种差异造就了 SiC 诸多优势。在高温环境下，SiC 展现出更高的机械稳定性，拥有出色的热导率，热膨胀系数较低，禁带更宽。层间禁带宽度的增加使得半导体从绝缘到导电状态的切换阈值变高，第三代半导体开关阈值在 2.3 电子伏特(eV)至 3.3 电子伏特(eV)之间，远高于第一代和第二代半导体的 0.6eV 至 1.5eV。性能方面，宽禁带半导体击穿电压更高，对热能敏感性更低。因此，相较于硅半导体，SiC 稳定性更高、可靠性更强，能通过降低功率损耗提升效率，并且拥有更高的温度阈值。

对于电子行业而言，SiC 的应用可提升现有设计效率，助力电动汽车和可再生能源转换器向更高电压发展。这将带来一系列益处，如因相同功率下电流减小，可减少原材料和冷却需求，缩小系统尺寸和重量，缩短电动汽车充电时间等。对于直流快充、电池储能系统和工业太阳能逆变器等关键能源基础设施中的元件来说，确保其可靠性至关重要，毕竟从严重的停机维修，到品牌声誉受损，甚至更广泛的损害或伤害，都与这些元件的可靠性息息相关。

碳化硅产品开发流程

需求分析与设计阶段

在产品开发伊始，深入的需求分析不可或缺。需充分考量目标市场、应用场景以及客户期望等因素。以电动汽车应用为例，要结合电动汽车对功率密度、续航里程、充电速度等方面的要求，确定碳化硅器件的关键性能指标，如高电压承受能力、低导通电阻、快速开关速度等。依据这些需求，展开针对性的设计工作，涵盖芯片结构设计、电路布局规划以及封装形式选择等。在芯片结构设计上，需优化漂移区厚度、掺杂浓度等参数，以实现高耐压和低电阻的平衡;电路布局要考虑信号传输的稳定性和抗干扰能力;封装形式则需兼顾散热性能、机械强度以及电气绝缘性能等。

材料选择与晶圆制备

材料的质量对碳化硅产品性能起着决定性作用。优质的碳化硅衬底是基础，其晶体缺陷密度、杂质含量等指标直接关乎最终产品的可靠性。目前主流的碳化硅衬底制备方法有物理气相传输法(PVT)等，该方法在高温、真空环境下，让原料升华产生气相物质，在温度梯度驱动下传输并在低温区结晶生长出碳化硅晶体。在这一过程中，精确控制温度、压力、气流等参数是获得高质量、大尺寸碳化硅晶体的关键，微小的温度波动都可能引入晶体缺陷，影响产品性能。此外，对原材料纯度要求极高，任何杂质的存在都可能干扰晶体生长，进而影响产品性能。

芯片制造与工艺优化

芯片制造环节包含多个复杂且关键的工艺步骤。光刻工艺需将设计好的电路图案精确转移到晶圆表面，其精度直接决定芯片的性能和集成度;刻蚀工艺要精准去除不需要的材料，形成特定的结构;掺杂工艺则通过引入特定杂质，改变半导体的电学性能。每一步工艺都需要严格控制工艺参数，如光刻中的曝光时间、刻蚀中的气体流量和功率、掺杂中的杂质浓度和注入能量等。并且，需不断对工艺进行优化，通过实验设计(DOE)等方法，研究不同工艺参数组合对芯片性能的影响，找到最优工艺条件，以提升芯片的一致性和可靠性。

碳化硅产品制造过程

生产设备与环境控制

碳化硅产品制造对生产设备要求严苛。高温、高真空设备在晶体生长、芯片制造等环节广泛应用，这些设备的性能和稳定性直接影响产品质量。设备的温度控制精度需达到极高水平，以确保晶体生长过程的稳定性;真空度的维持也至关重要，微小的漏气都可能引入杂质，影响产品性能。同时，生产环境的洁净度要求极高，需严格控制尘埃粒子、微生物等污染物。通过建立超净车间，采用空气过滤系统、静电消除设备等措施，为产品制造提供洁净、稳定的环境，降低外界因素对产品质量的干扰。

质量检测与监控体系

在制造过程中，构建全面、严格的质量检测与监控体系是确保产品可靠性的关键。从原材料入厂检验，到生产过程中的在线检测，再到成品的最终测试，每个环节都需进行严格把控。针对原材料，要检测其纯度、晶体结构等指标;生产过程中，利用各种先进检测设备，如扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)等，对芯片的微观结构、杂质分布等进行实时监测;成品测试则涵盖电气性能测试、可靠性测试等多个方面。通过统计过程控制(SPC)等手段，对生产过程数据进行实时分析，及时发现生产过程中的异常波动，采取相应纠正措施，确保产品质量的稳定性和一致性。

碳化硅产品可靠性测试

可靠性测试的重要性

可靠性测试旨在评估产品在规定时间内和条件下完成规定功能的能力，是衡量产品质量的关键指标。对于碳化硅产品，由于其常应用于高要求场景，如电动汽车、能源基础设施等，一旦产品在使用过程中出现故障，可能引发严重后果。因此，可靠性测试至关重要，它能提前暴露产品潜在问题，为产品改进和优化提供依据，确保产品在实际使用中具备稳定、可靠的性能，提升产品市场竞争力，保障消费者权益。

常见的可靠性测试项目

高温反偏测试(HTRB)：主要用于验证长期稳定情况下芯片的漏电流，考验对象是边缘结构和钝化层的弱点或退化效应。该测试可暴露与时间、应力相关的缺陷，如钝化层中可移动离子或温度驱动的杂质。在测试中，需持续监测碳化硅 MOSFET 源极 - 漏极的漏电流，试验前后都要进行电应力测试，若器件静态参数测试结果超出规定范围，则判定为失效。

高温栅极偏压测试(HTGB)：针对碳化硅 MOSFET 进行的关键可靠性项目，用于验证栅极漏电流的稳定性，考验对象是碳化硅 MOSFET 栅极氧化层。在高温环境下对栅极长期施加电压会加速栅极性能老化，导致栅极阈值电压 VGSth 发生漂移。测试时，需持续监测碳化硅 MOSFET 栅极 - 漏极的漏电流，若漏电流超过电源设定上限，则判定为失效，试验前后同样要进行电应力测试。

温湿度偏压测试(HV - H3TRB)：用于测试温湿度对功率器件长期特性的影响。高湿环境对分立器件的封装树脂材料及晶片表面钝化层是极大考验，通过施加高温、高湿、高反偏电压，使早期缺陷更容易暴露。测试过程中持续监测 MOSFET 源极 - 漏极的漏电流，试验前后进行电应力测试，依据器件静态参数测试结果判断是否失效。

温度循环测试(TC)：验证器件封装结构和材料的完整性。绑定线、焊接材料及树脂材料在温度循环过程中，受冷热交替的热应力作用，存在老化和失效风险。将被测对象放入温箱，温度在 - 55℃到 150℃之间循环(H 等级)，评估器件内部各种不同材质在热胀冷缩作用下的界面完整性，试验前后进行电应力测试并检查封装外观是否异常。

高压蒸煮测试(AC)：验证器件封装结构密闭完整性。把被测对象放进高温高湿高气压环境中，考验晶片钝化层及树脂材料性能。在凝露高湿、高气压环境下，湿气可能进入封装内部，引发分层、金属化腐蚀等缺陷。试验前后进行电应力测试并检查封装外观，判断器件是否失效。

间歇工作寿命测试(IOL)：一种功率循环测试，将被测对象置于常温环境(TC = 25℃)，通入电流使其自身发热结温上升，且使∆TJ≧100℃，自然冷却至环境温度后再次通入电流使结温上升，不断循环。该测试可使被测对象不同物质结合面产生应力，发现绑定线与铝层焊接面断裂、芯片表面与树脂材料界面分层、绑定线与树脂材料界面分层等缺陷，同样在试验前后进行电应力测试及封装外观检查。

结语

碳化硅产品凭借其卓越的性能优势，在众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，要将这种潜力转化为实际市场竞争力，确保产品上市前的可靠性至关重要。通过严谨的开发流程，从需求分析到芯片制造工艺优化;严格的制造过程管控，涵盖设备与环境控制以及质量检测体系;以及全面、科学的可靠性测试，对产品进行全方位的验证和改进，才能使碳化硅产品在复杂、高要求的应用场景中稳定、可靠地运行，为相关产业的发展提供坚实支撑，推动电子行业迈向新的发展阶段。