国产车规级碳化硅器件的上车之路

AEC-Q系列认证是进入汽车领域的必经之路

AEC(Automotive Electronics Council)—汽车电子委员会，创立于1994年。是由美国三大汽车公司（Chrysler / Ford / GM）为了一套通用的零件资质及质量系统标准而联合发起的，AEC-Q系列认证虽然不是强制性的认证制度，但目前已成为公认的车规元器件的通用测试标准。

芯片设计企业需以产品分类选择适宜的标准，如AEC-Q100（IC芯片）、AEC-Q101（半导体分立器件）、AEC-102（光电器件）、AEC-Q103（传感器）、AEC-Q104（多芯片模块）和AEC-Q200（被动元器件）。若想进入汽车领域，则必须取得汽车电子协会的AEC-Q可靠度标准，以及零失效（Zero Defect）的供应链质量管理标准IATF16949规范。

其中，AEC Q101是基于失效机理的离散半导体元件应力测试鉴定，由AEC委员会制定，于1996年发行，并持续更新到2021年的E版本，也是目前沿用的最新标准。适用于车用离散半导体元件的综合可靠性测试认证标准，是离散半导体元件应用于汽车领域的基本门槛，也是碳化硅器件上车的必要条件。

车规级的电子元件对环境要求、抗振动冲击、可靠性和一致性等方面要求严格，所以必须采用更先进的技术和更苛刻的测试程序。

AEC Q101 测试流程

碳化硅芯片研发与封装的可靠性测试

可靠性是衡量器件寿命期望值的指标，即通过可靠性结果计算器件能持续多久满足规范要求。衡量可靠性可以从器件的故障率入手。在典型故障曲线浴盆曲线中，随着环境、时间、电场的作用，器件的故障率变化分为三个时期：

初期失效区域大致持续3-15个月，通常为1年。此区域发生的失效是多数半导体元器件共性，主要由设计和制造原因引起，可以被筛选；可用时期区域一般为10年，会出现随机失效；老化区域出现的失效一般是因为材料疲劳和老化。

一般在碳化硅功率器件产品投入市场前必须进行可靠性试验。可靠性试验根据已知失效机理设计出加速模实验方法，将失效现象复现出来排除隐患，避免在使用过程中出现可避免的失效。

每种可靠性试验都对应着某种失效模式，根据环境条件、试验项目、试验目的、试验性质的不同，试验方法有不同的分类。按照惯用的分类法，试验方法可归纳为环境试验、寿命试验、筛选试验、现场使用试验、鉴定试验五大类。

对于半导体企业，进行可靠性试验是提升产品质量的重要手段。在进行工业级产品可靠性验证时，通常选取样品数为22。汽车级（AEC-Q101）的样本数要求需提高到77片。

其中，在芯片研发阶段，HTRB、HVH3TRB、TC、AC/PCT、IOL、HTGB试验是验证器件可靠性的主要项目：

HTRB（高温反偏测试）

HTRB是分立器件可靠性最重要的一个试验项目，其目的是暴露跟时间、应力相关的缺陷，这些缺陷通常是钝化层的可移动离子或温度驱动的杂质。

半导体器件对杂质高度敏感，制造过程中有可能引入杂质。杂质在强电场作用下会呈现加速移动或扩散现象，最终杂质将扩散至半导体内部导致失效。同样的晶片表面钝化层损坏后，杂质可能迁移到晶片内部导致失效。HTRB试验可以使这些失效加速呈现，排查出异常器件。

HVH3TRB（高压高温高湿反偏测试）

AEC-Q101中只有H3TRB这个类别，其缺点是反压过低，只有100V。基本半导体将标准提高，把反偏电压设置80%的BV，并命名为HVH3TRB。

HVH3TRB主要是针对高温高电压环境下的失效的加速实验。高湿环境是对分立器件的封装树脂材料及晶片表面钝化层的极大考验，树脂材料是挡不住水汽的，只能靠钝化层，3种应力的施加使早期的缺陷更容易暴露出来；

TC（温度循环测试）

绑定线、焊接材料及树脂材料受到热应力均存在老化和失效的风险。温度循环测试把被测对象放入温箱中，温度在-55℃到150℃之间循环（H等级），这个过程是对封装材料施加热应力，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；此项目标准对碳化硅功率模块而言很苛刻，尤其是应用于汽车的模块。

AC/PCT（高温蒸煮测试）

高温蒸煮测试是把被测对象放进高温高湿高气压的环境中，考验晶片钝化层的优良程度及树脂材料的性能。被测对象处于凝露高湿气氛中，且环境中气压较高，湿气能进入封装内部，可能出现分层、金属化腐蚀等缺陷。

IOL（间歇工作寿命测试）

间歇工作寿命测试是一种功率循环测试，将被测对象置于常温环境Ta=25℃，通入电流使其自身发热结温上升，且使Tj≧100℃，等其自然冷却至环境温度，再通入电流使其结温上升，不断循环反复。此测试可使被测对象不同物质结合面产生应力，可发现绑定线与铝层的焊接面断裂、芯片表面与树脂材料的界面分层、绑定线与树脂材料的界面分层等缺陷。对于材质多且材质与材质接触面比较多的模块，此通过此项目难度较高。

HTGB（高温门极偏置测试）

高温门极偏置测试是针对碳化硅MOSFET的最重要的实验项目。在高温环境下对门极长期施加电压会促使门极的性能加速老化，且MOSFET的门极长期承受正电压，或者负电压，其门极的门槛值VGSth会发生漂移。

除了芯片研发环节，封装也是影响产品可靠性的重要因素。

以下是封装的几个重要的测试项目：

端子强度

端子强度测试的目的是为了确定引出端的设计与连接方法是否能耐受在装配、修理或搬运过程中所遇到的机械应力。

耐焊接热

通过耐焊接热测试可以确定元件能否经受在焊接（烙焊、浸焊、波峰焊、回流焊）端头过程中所产生的热效应。

可焊性

可焊性测试可以判断封装厂的电镀工艺是否合格，浸锡表面超过95%则为合格。

推力，拉力，剪切力测试

推力，拉力，剪切力测试是指芯片焊接后再分离出来的难度，可以考察芯片焊接过程是否良好。

无铅器件要求

适用于引线终端含锡的器件，铅料目前仍然是豁免的，也就是说器件仍可使用含铅材料。

国内碳化硅企业通过车规情况

（以下为不完全统计，有疑问可以私聊联系）

1.三安集成：碳化硅车规产品“上车”，湖南基地实现规模交付

三安650V 20A“车规级”碳化硅二极管在前期与汽车行业客户的送样和测试过程中，均取得优异的可靠性和产品性能表现，获得客户广泛认可。截止目前已收获来自车载充电器(OBC)领域头部企业和中国最早布局新能源汽车的主厂订单，标志着三安车规级功率器件正式“上车”。

这次快速得到客户青睐，也从侧面反映碳化硅功率器件正得到新能源汽车主机厂的普遍重视和战略布局。三安坚持全产业链整合模式，实现产能、成本及质量验证的全方位管控，加速碳化硅和氮化镓功率器件在细分行业客户的产品应用，推动产业化和规模化生产。2021年三安导入碳化硅功率器件客户549家，覆盖服务器电源、通信电源、光伏逆变器、家电、新能源汽车充电系统的充电桩电源和车载充电机等各细分应用市场标杆客户，量产交付产品66款。

2.泰科天润：国内较早实现通过AEC-Q101认证的碳化硅制造商

2020年6月，泰科天润成为国内碳化硅功率器件率先由权威第三方检测机构测试并通过AEC-Q101认证的制造商。

泰科天润作为国内最早从事碳化硅器件生产的IDM制造商，在碳化硅产品的设计、生产、品控、应用的各个方面，拥有多年积累的深厚经验，特别是在各种可靠性相关的筛选、测试、失效方面上，经受住了市场各种严苛客户的考验，市场份额逐年扩大，2021年，泰科天润加强650V/1200V6寸代表性型号实现批量生产，新增SMA等封装碳化硅器件，3款碳化硅隔离驱动器问世，产品线不断丰富中。并已经获得国内车企的批量订单

3.瞻芯电子：二极管和MOS产品纷纷通过车规级（AECQ101）认证

在过去的一年里，瞻芯电子的SiC MOSFET累计量产出货逾10万颗。同时，一系列新产品也陆续问世，包括1200V 17mohm SiC MOSFET晶圆，兼容Easy1B的 1200V 25mohm SiC功率模块，图腾柱CCM PFC模拟控制芯片等等。以SiC MOSFET为核心的全碳化硅产品线正在广泛的开关电源、电控和汽车电子应用领域产生合力，瞻芯电子的碳化硅品牌效应也在逐步凸显。

经过四年多的研发和市场积累，瞻芯电子产品开始在工业级市场放量，并在汽车电子市场开拓方面取得突破。就在一月底，瞻芯也对外发布了有两款SiC产品通过了车规级（AECQ101）认证 ，顺利拿到汽车供应链入场资格。

4.爱仕特：帮OBC降低20%成本，碳化硅MOS被多家车企采用

爱仕特拥有10多年的 SiC 器件与系统的设计和开发经验，公司目前已经拿到了IATF16949:2016汽车质量体系证书。爱仕特的SiC MOS模块已应用到欧洲航空行业。

并且公司的技术团队早在2013年开始从事SiC MOS芯片的研发工作，2016年研发成功，当时工作于非常好的车企环境，很早就可以上车验证，积累了大量的应用经验。同时核心研发人员长期从事功率器件芯片的研发，近20年的一线研发经验，非常熟悉新能源汽车的应用方案。在客户应用层面上，通过Tier1客户做进的厦门金龙客车，行驶里程已超过7万公里。

5.派恩杰SiC MOSFET产品在新能源汽车OBC应用验证通过，顺利上车

2021年派恩杰SiC MOSFET产品在新能源汽车OBC应用验证取得了重大突破，获得了新能源汽车龙头企业数千万订单，并已开始供货。派恩杰营收较去年翻了50倍，新增收入主要来自于新能源汽车、工业电源和手机快充。

据悉，派恩杰在平面型MOS技术方面拥有领先优势，已推出全球Qgd x Rds(on)（开关品质因数）最小的SiC MOS产品。公司一系列高压碳化硅产品通过车规级验证。

6.瀚