干货！第三代半导体功率元件电性测量及故障分析全攻略

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随着新能源浪潮与全球节能减碳趋势，汽车龙头厂商将电动车（Electric Vehicle, EV）功能列入研发蓝图上。根据Yole的预测，从2021至2027年间，全球各类EV市场的平均年复合成长率（CAGR）可达21%，而在电动车的零件组成中，功率元件诸如DC-DC转换器、车载充电器、逆变器等应用水涨船高，尽管目前这些功率元件的产值仍与成熟IC元件相差许多，但CAGR预期至2027年皆有双位数的成长。以SiC 模块为例，到了2027年，其产值可达44亿美元，CAGR为38%（图1），因此功率元件是未来各半导体产业链的发展重心之一。

图1 各类功率元件2021-2027年的营收与CAGR。

为满足功率元件需求，厂商积极投入第三类半导体

第三类半导体是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽带隙材料应用的半导体，相较于传统由硅制作的功率元件，第三类半导体拥有较高的频率与功率的操作范围，能应用在许多高科技产业上，例如自驾车、5G/6G、太空、AI、量子高速运算、发电设施等等。

许多传统功率元件厂商纷纷宣布2022年下半年投入SiC元件的生产，为整体第三类半导体市场带入更多的动力。图2说明了由各类材料制造出的功率元件的操作频率与功率范围，并说明可应用的领域。

依照不同的应用情境选择适用的元件种类和电压应用范围，图3是针对不同电压对元件所作的区分，现今车载功率元件的主流范围在900V以下，此部份以传统的Si和GaN MOSFET为主；而1200V以上的需求，则以铁道或发电厂的应用为主，此操作便需要IGBT或SiC的元件了。

图3 各类型材料之功率元件的操作电压。

功率元件全方位检测分析三大步骤

随着功率元件产值的提升，自然也带动了分析检测的需求。在故障分析的领域上，对元件结构的了解、电性量测是入门的基本功，尽管功率元件的结构较IC简单，不过材质与金属连接的布局，却是影响样品制备、缺陷观察的重要影响因子；电性量测方面，由于功率元件的特殊规格，无法使用一般的参数分析仪确认失效行为，因此需要高功率的量测仪器才能执行。综合以上考量，在全方案分析流程上，可简易地归纳出以下三大步骤：

1.电性参数量测

IC的量测可以分为静态测试与动态测试两种，前者就是DC量测，open/short与leak Hi/Lo皆属此类，在第三方分析实验室皆可靠参数分析仪进行验证，而缺陷的定位也是以静态测试为主；动态测试即是功能测试，需要ATE或台架测试（bench test）才能够达成，不同种类的IC有不同的测试程式，一般第三方分析实验室无此分析能量，故大多无法进行功能失效的全方案流程。功率元件由于结构简单，电性参数项目固定，市场上已有单一仪器可进行量测，电性参数在规格书定义得十分清楚，只要依照规格书的项目，便可逐一萃取各个项目值。首先电性参数需要量测，以600V的MOSFET为例，电性参数与说明如图4；了解电性参数的定义后，即可在某参数异常时，推测是哪一结构出现问题，拟定物性故障分析方案。

图4 600V MOSFET电性参数与定义说明。

图5 电容对电压的关系图。

图6 Vgs电压对gate电荷的关系图。

2.亮点定位

不论执行何种半导体元件的亮点定位，主要以这三项工具：微光显微镜（PEM）、雷射致阻值变化侦测（OBIRCH）、热影像分析仪（Thermal Emission Microscope, Thermal EMMI）。依电性故障行为与样品结构考量，选择合适的定位仪器；从芯片的正面或背面侦测亮点，则视样品制备难易度而定。功率元件的结构虽然简单，但样品制备的难度却高于IC制程，原因在于功率元件芯片表面有一层厚厚的铝，遮挡了亮点的观察，不过在初步的亮点定位上，可优先选择使用Thermal EMMI，利用其热传导的特性，先进行第一次定位，待定位完成后，若需要更精细的范围，再选择其它的定位工具。

3.缺陷观察

由于功率元件的结构简单，比如MOSFET或IGBT皆是许多cell以阵列的方式并联排列，而单一明确的亮点即代表缺陷所在的位置，再加上由电性行为可以判断漏电的路径，对照结构就可以推论出可能的物性故障现象，所以一般来说，亮点定位完成后直接进行截面的观察是标准作业流程。对于功率元件来说，要进行截面的样品制备并观察缺陷的外貌，主要有两种方式：一是聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB），另一种则是穿透式电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM），两者的差别主要在于解析度差异，FIB可观察烧熔、制程异常、外来物等较明显可见的异状，而TEM则可以观察晶格缺陷。在第三类半导体的材料中，可能存在差排的晶格缺陷，若执行FIB后未见明显异常，可再转做TEM观察。

图8 GaN MOSFET以FIB和TEM观察到的裂痕和差排。

图9 SiC MOSFET以TEM观察到的差排。

若是因离子布植问题造成的漏电，上述两种显微镜便无法派上用场，需要使用扫描式电容显微镜（Scanning Capacitance Microscopy, SCM）来观察p-type与n-type搀杂的分布。浓度异常除了会造成电池泄漏，还会因为影响了电场分布，而导致击穿现象所产生的大电流问题。综观以上，只要有适当的分析工具，组合成既定的分析步骤，再整合电性特征与物性结构，便能有效地挖掘出故障的真因。随着功率元件的应用愈发广泛，相信此套分析流程，能够协助功率元件厂商快速研发与提升量产良率。

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