AQG324针对SiC新要求 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

近期工作涉及到SiC模块测试相关工作，了解了一下AQG324针对SiC的新要求。从后面的视频中摘一些关键信息，方便查询。

汽车功率模块的开发过程中有一个非常重要的测试标准，就是AQG324。它是欧洲电力电子中心（European Center for Power Electronics）主导的测试标准，AQG324代表了一个基于最佳实践和卓越需求的行业指南。它是汽车功率模块的一个基本标准，也就是说是个门槛，只有完成了根据它的测试规范设计的测试计划才能得到广大的车厂认可。由于它是一个行业标准不是强制性的，最终的决定权取决于最终的用户。AQG324目前最新版本是发布于31.05.2021，这个版本比之前的多了一些针对SiC的内容，这一部分附加的部分是针对SiC等第三代半导体的，前面的测试规范是针对硅基半导体。

1、塑封模块相对于HPD模块的优势

如下是平面结构的SiC结构示意图以及SiC功率模块的结构示意图。从图可以看到芯片也是一层一层地堆叠起来的，一般MOS的芯片差不多在15-20层之间。AQG324的寿命测试里的HTGB，HTRB以及H3TRB和HTSL/LTS等主要是对SiC的芯片各层进行了测试，而功率循环则是像上文所展开的那样对芯片和下面的陶瓷基板以及散热基板的连接部分进行了测试。其实测试只是最后的验证考核的手段之一，整个项目从一开始就要针对这些测试可能会造成的失效进行有针对性的设计。所以从芯片的研发、生产的工艺以及模块的研发和生产工艺都要针对AGQ324来展开。这也就是我们常说的“design for Quality”

如下是AQG324的框架。首先特性测试确保参加测试的模块的基本特性，建立一个特性参数的标准，用来和后面的一些寿命相关测试比对，作为失效的判断标准。环境测试则侧重于一些机械特性相关的测试。寿命测试则从各方面考核了模块封装以及芯片的可靠性，并且通过功率循环测试结合汽车厂商的路谱（mission profile）可以计算出功率模块的寿命。这个就是AQG324的一个目的，通过一系列的测试来推算出功率模块的使用寿命。

硅基功率模块和WBG功率模块差异部分，它们的差异主要是集中在寿命测试相关的项目。

在秒级的功率循环里，由于Ton和Toff的时间比较短，所以可以看到芯片的节温会上升比较快，但是Tc也就是外壳的温度上升比较缓慢，这样的冲击其实对于和芯片接触的地方相对来说会集中一些，也就是主要侧重于测试芯片bonding和芯片与下面基板焊接的可靠性。
在分钟级别的功率循环里，由于开关周期比较长，所以Tc的变化会比较大，同时温度也是以Tc为准，这样的话对于基板和下面的散热器的焊接处的冲击相对会大一些，所以我们可以理解为它侧重于测试基板和下面的散热器的焊接性能。

这两个功率循环的测试，对于Si和SiC来说，是相似的，但是由于SiC可以承受更高的工作温度，现在有不少的厂家在针对SiC的功率循环测试里把Tvjmax=200度也加到了测试条件里。由于SiC芯片和IGBT芯片相比面积要小不少,所以热阻也要大不少，在这里对于SiC芯片的互联技术就提出了一定的挑战，这里就包含了SiC的源极的互连，传统的bonding线，它们的功率循环的次数和相同条件下的比如clip的焊接等方法比就要略差一些。

功率循环还有一个作用就是可以把生产工艺中的一些致命缺陷暴露出来，由于整个芯片是由成千上万个基础的开关单元构成的，这些单元中任一个单元如果有一些致命的缺陷，那么在功率循环中会加速它们的老化然后导致失效，从而导致整个功率循环次数降低。

下图是节选自AQG324的一些典型的功率循环失效模式。从这里我们可以清晰地看到秒级功率循环导致的bonding线脱落，芯片的金属层退化导致焊接质量下降。分钟级的功率循环导致的DBC裂痕等失效现象。

High-temperature gate bias(HTGB)高温栅极偏压测试

由于SiC的Vgs在偏压的条件下会随着时间的累加而漂移，因此HTGB可以模拟加速条件下的工作状态，用于芯片的可靠性验证和门极的可靠性监测。并且可以发现由于生产过程中导致的一些材料污染。对于Si和SiC器件和模块来说HTGB都是强制要求的。

Dynamic gate stress (DGS)

室温下的DGS测试对于SiC功率模块来说是必须的，现在这个测试的条件还在讨论当中还没有最终定稿。这个测试不仅仅涉及到芯片也涉及到模块，因为现在的SiC功率模块大多数都有多个SiC的芯片来并联达到大电流的输出能力，那么模块的layout也会影响到芯片的Vgs,这也是为什么针对SiC功率模块必须要考虑DGS测试。如果设计的不好，在动态条件下SiC的Vgs会飘移同时也会导致Rdson增加进而导致效率降低。

High-temperature reverse bias (HTRB)

可以很好的检测出来芯片的钝化层结构或者是芯片的终端结构的缺陷，同时生产中或者封装材料里的有害的一些离子污染也可以通过这个测试发现，同时由于功率模块的不同的材料间的温度膨胀系数也会导致芯片的钝化层完整性受到破坏，这个测试对于Si或者SiC来说是相似的，但是对于SiC的模块来说动态的反偏测试是强烈建议的。

Dynamic reverse bias (DRB)

DRB对于IGBT是不做要求的，需要注意的一点是对于DRB，如果在AECQ101没有做过这个测试，那么在SiC的功率模块是必须要做的。这个测试的目的是通过高dv/dt对内部钝化层结构进行充放电进而使芯片加速老化。

High-humidity, high-temperature reverse bias (H3TRB)

这个测试为了验证整个模块结构中的薄弱环节，包括功率半导体本身。大多数模块设计很难做到完全密封。半导体芯片和接合线嵌入可渗透湿气的硅胶中。这允许湿气随着时间的推移也到达钝化层。芯片钝化层结构或钝化拓扑结构中的弱点以及芯片边缘密封中的弱点在湿度的影响下受到负载的不同影响。污染物也可以通过湿气传输转移到关键区域，从而导致失效。

对于 H3TRB是Si和SiC差别比较大的地方。下图针对SiC的H3TRB的测试条件。它和针对Si的IGBT的条件差别就是加在器件上的电压不一样。Si的要求是强制要求80V，而SiC则是必须80%的VDSmax。