隨著新能源汽車、光伏逆變器、儲(chǔ)能、充電樁及工業(yè)電源等領(lǐng)域快速發(fā)展，SiC功率器件的應(yīng)用不斷增加。相比傳統(tǒng)硅基功率器件，SiC器件面向更高溫度、更高功率密度等應(yīng)用環(huán)境，這也對(duì)芯片貼裝、燒結(jié)層、鍵合線等封裝連接結(jié)構(gòu)的機(jī)械可靠性提出了更高要求。
SiC 功率模塊開蓋裸內(nèi)部（圖源網(wǎng)絡(luò)，僅作展示）
本文科準(zhǔn)測(cè)控小編將基于Alpha-W260自動(dòng)推拉力測(cè)試機(jī)，從SiC功率器件是什么、有哪些機(jī)械連接結(jié)構(gòu)、封裝可靠性如何測(cè)試以及參考測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等方面，為您介紹SiC芯片推力、鍵合線拉力及高溫推拉力測(cè)試方法。
一、SiC功率器件是什么？
SiC全稱 Silicon Carbide，即碳化硅，是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料。相比傳統(tǒng)硅材料，SiC具有較寬的禁帶寬度、較高的臨界擊穿電場(chǎng)以及良好的高溫性能，因此適合應(yīng)用于高壓、高頻、高溫及高功率密度等場(chǎng)景。目前常見的SiC功率器件主要包括SiC肖特基二極管（SiC SBD）、SiC MOSFET、SiC功率模塊。
二、SiC功率器件有哪些機(jī)械連接結(jié)構(gòu)？
1、SiC芯片與基板之間的連接
SiC裸芯片需要固定在DBC等封裝載體上，根據(jù)器件結(jié)構(gòu)及制造工藝，可采用焊料連接、銀燒結(jié)等芯片貼裝方式。這一連接區(qū)域直接影響芯片的機(jī)械固定狀態(tài)。如果貼裝材料、燒結(jié)工藝或相關(guān)界面存在異常，可能出現(xiàn)局部弱結(jié)合、界面分離甚至芯片脫落等問(wèn)題。
2、SiC芯片與鍵合線之間的連接
部分SiC功率器件及功率模塊采用Wire Bond實(shí)現(xiàn)芯片頂部互連，典型結(jié)構(gòu)包括鋁線鍵合等，這一位置需要重點(diǎn)關(guān)注鍵合線自身強(qiáng)度、鍵合點(diǎn)結(jié)合狀態(tài)以及焊盤相關(guān)機(jī)械可靠性。
3、芯片貼裝層與DBC等基板結(jié)構(gòu)
功率模塊中還可能采用DBC等陶瓷覆銅基板。SiC芯片通過(guò)相應(yīng)的貼裝層與基板連接，共同構(gòu)成功率模塊內(nèi)部的重要機(jī)械結(jié)構(gòu)。不同SiC功率模塊的具體結(jié)構(gòu)存在差異，因此進(jìn)行推拉力測(cè)試之前，應(yīng)先確認(rèn)芯片尺寸、貼裝工藝、鍵合方式、基板形式及目標(biāo)測(cè)試位置，再確定對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法。
三、SiC封裝可靠性如何測(cè)試？
SiC功率器件的機(jī)械可靠性測(cè)試，需要根據(jù)不同連接位置選擇對(duì)應(yīng)的推力、剪切或拉力測(cè)試方法。
1、SiC芯片貼裝強(qiáng)度——Die Shear芯片剪切測(cè)試
如果SiC芯片焊接、銀燒結(jié)或相關(guān)貼裝界面存在異常，可能出現(xiàn)貼裝層破壞、界面分離或芯片脫落等問(wèn)題。針對(duì)這一連接位置，可以進(jìn)行Die Shear芯片剪切測(cè)試，也就是芯片推力測(cè)試。
測(cè)試方法：將SiC器件或功率模塊穩(wěn)定固定在推拉力測(cè)試機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)芯片尺寸選擇相應(yīng)推刀。推刀移動(dòng)至芯片側(cè)面，在規(guī)定位置沿平行于基板的方向加載，直至芯片或相關(guān)連接區(qū)域發(fā)生失效。
測(cè)試過(guò)程中記錄最大剪切力、力—位移曲線、測(cè)試位置及失效狀態(tài)。
測(cè)試完成后，還需要觀察芯片底部及基板表面的殘留情況，進(jìn)一步判斷破壞發(fā)生在貼裝材料內(nèi)部、燒結(jié)層相關(guān)界面還是其他位置。
對(duì)于銀燒結(jié)SiC芯片，這類測(cè)試尤其適合用于比較不同燒結(jié)工藝、材料或老化條件下芯片連接機(jī)械強(qiáng)度的變化。
2、SiC鍵合線強(qiáng)度——Wire Pull鍵合線拉力測(cè)試
對(duì)于采用Wire Bond結(jié)構(gòu)的SiC功率器件，如果鍵合工藝存在異常，可能出現(xiàn)線材斷裂、第一鍵合點(diǎn)脫離、第二鍵合點(diǎn)脫離以及焊盤相關(guān)破壞等失效。針對(duì)這類結(jié)構(gòu)，可以采用Wire Pull鍵合線拉力測(cè)試。
測(cè)試方法：將拉鉤移動(dòng)至目標(biāo)鍵合線下方，在規(guī)定位置沿垂直方向逐漸加載，直至鍵合線或鍵合區(qū)域發(fā)生失效。推拉力測(cè)試機(jī)記錄最大拉力，并結(jié)合最終斷裂位置判斷失效模式。
3、SiC功率鍵合結(jié)構(gòu)——推力/剪切測(cè)試
部分SiC功率器件采用較粗的鋁線等功率鍵合結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)及測(cè)試要求，除Wire Pull外，還可以針對(duì)相應(yīng)鍵合區(qū)域開展推力或剪切測(cè)試。
測(cè)試方法：根據(jù)鍵合結(jié)構(gòu)尺寸選擇對(duì)應(yīng)的推刀、傳感器量程和加載位置，通過(guò)峰值力、力—位移曲線及破壞位置評(píng)價(jià)機(jī)械連接狀態(tài)。
4、高溫狀態(tài)下的SiC推拉力測(cè)試
SiC器件的一個(gè)典型應(yīng)用特點(diǎn)，是需要面向較高溫度和高功率密度等工作環(huán)境。因此，對(duì)于部分SiC功率器件研發(fā)和可靠性驗(yàn)證項(xiàng)目，僅進(jìn)行常溫推拉力測(cè)試可能無(wú)法覆蓋實(shí)際需要。
針對(duì)這類需求，可以在推拉力測(cè)試機(jī)上配置加熱平臺(tái)及高溫測(cè)試夾具，將SiC樣品加熱至規(guī)定溫度并保持穩(wěn)定后，再進(jìn)行芯片剪切、拉力等機(jī)械測(cè)試。
四、SiC推拉力測(cè)試可以參考哪些標(biāo)準(zhǔn)？
SiC器件的具體測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)、測(cè)試對(duì)象、產(chǎn)品類型及客戶要求確定，常見可以參考的標(biāo)準(zhǔn)包括：
以上就是科準(zhǔn)測(cè)控小編為您介紹的SiC功率器件機(jī)械連接結(jié)構(gòu)、封裝可靠性測(cè)試方法及相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)SiC芯片推力、鋁線拉力及高溫機(jī)械可靠性測(cè)試，科準(zhǔn)測(cè)控Alpha-W260自動(dòng)推拉力測(cè)試機(jī)可根據(jù)樣品結(jié)構(gòu)匹配相應(yīng)量程、推刀、拉鉤及專用夾具，并可結(jié)合最高300℃加熱平臺(tái)開展不同溫度條件下的推拉力測(cè)試。
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