研发样品测试与分析自查报告

研发样品测试与分析自查报告本次针对新一代车规级1200V300A沟槽型SiCMOSFET研发样片，完成三批次小批量流片后的全性能测试工作后，为规避研发过程中的测试疏漏、根因误判，确保后续流片和整车厂送样的可靠性，按照公司一级研发项目节点管控要求，组织研发、测试、工艺、质量四个模块核心人员开展了全维度自查，本次自查覆盖测试方案合规性、测试环境有效性、测试数据完整性、异常结果根因分析闭环、测试范围覆盖度五个核心模块，共识别出8项问题，其中高风险问题3项，中风险4项，低风险1项，所有问题均已匹配可落地的整改验证方案，具体自查情况如下：本次测试方案最初以AEC-Q101-2020车规分立半导体器件可靠性要求为基础，结合项目设计目标和整车厂提出的应用要求制定，自查过程中针对所有测试项的标准符合度、执行完整度进行了逐一核对，具体自查结果如下：测试类别测试项目标准要求实际执行情况合规判定存在问题电参数测试静态参数测试AEC-Q101第5.2条：25℃、150℃下测试阈值电压Vth、导通电阻Rdson、漏极漏电流Idss、击穿电压Vbr额外增加-40℃、175℃两个温度点，覆盖极寒和极限工况，全参数测试覆盖完整合规无电参数测试动态参数测试AEC-Q101第5.4条：额定母线电压下测试开关损耗、栅极电荷额外覆盖400V、600V、800V三个母线电压点，不同栅极驱动电压下的测试，覆盖全工况应用合规无可靠性测试高温反偏HTRBAEC-Q101第7.1条：Vds=80%额定电压，结温150℃，1000小时，每100小时抽样测试参数漂移A02、A03批次按要求执行中间抽样，A01批次仅测试初始和1000小时终点参数，省略中间抽样环节基本合规A01批次中间漂移数据缺失，无法分析漂移变化规律可靠性测试温度循环TCAEC-Q101第7.3条：-55℃~150℃，1000次循环，测试前后参数变化三批次均按要求执行，额外增加了1500次循环的抽测合规无可靠性测试功率循环PCAEC-Q101第7.7条：ΔTj=100℃，10万次循环，Rdson变化超20%判定失效三批次均按要求执行，记录了每次抽样的Rdson变化数据合规无可靠性测试短路耐量测试内部要求：150℃结温、400V母线电压下短路耐量≥10μs三批次均按要求执行10次短路脉冲测试合规无这个环节暴露的核心问题就是项目进度紧张的时候，为了尽早拿到最终测试结果，主动简化了标准要求的中间监测环节，虽然A01批次最终终点参数符合要求，但是缺失了漂移过程数据，对于长期可靠性的预判缺少支撑，比如如果参数漂移主要发生在前100小时，后续趋于稳定，说明是可接受的初期漂移，如果漂移是线性持续的，说明存在长期可靠性隐患，没有中间数据就无法做准确判断，这个问题属于进度优先下的测试不完整，后续需要明确，就算进度紧张，核心可靠性测试的中间监测环节不能简化，最多可以减少抽样数量，不能完全省略。本次三批次样片共产出有效测试数据12.6万条，我们针对关键参数的良率分布、漂移情况进行了复核，重点复核了异常数据的标注和分析过程，三批次样片关键参数良率统计如下：关键参数设计规格限A01批次良率（%）A02批次良率（%）A03批次良率（%）1000小时HTRB后平均漂移率（%）阈值电压Vth2.8V~4.2V9296980.8导通电阻Rdson@25℃≤1.8mΩ8994961.2击穿电压Vbr≥1400V9195970.3短路耐量@150℃≥10μs768895-功率循环寿命≥10万次758594-键合强度≥10g/引线9697981.5从良率变化趋势可以看到，随着工艺参数的逐步调整，三批次样片的良率持续提升，大部分关键参数已经达到设计要求，但是针对异常数据的分析过程，本次自查发现了多处分析不到位、根因误判的问题，最典型的就是短路耐量良率偏低的问题，A01批次短路耐量良率仅76%，当时项目组第一时间将根因判定为栅氧厚度偏薄，认为短路过程中栅极电场强度过高导致栅氧击穿，因此A02批次将栅氧厚度从40nm调整到45nm，调整后良率提升到88%，项目组就默认根因分析正确，没有再做深入的失效分析。本次自查过程中，我们将A01批次留存的12个失效样品重新做了红外热成像失效定位，发现12个失效样品中有9个失效点位于芯片边缘的场限环区域，而非有源区的栅氧位置，这说明原来的根因判断错误。后续我们做了二次离子质谱和扫描电镜分析，发现A01批次流片时，因为退火炉产能紧张，为了赶批次，场限环区域铝离子注入后的退火温度比工艺文件要求低了20℃，退火时间缩短了10分钟，导致注入离子的激活率仅为82%，远低于设计要求的90%以上，激活率不足导致场限环无法均匀分压，反向偏置下边缘电场集中，短路大电流情况下边缘首先发生击穿，栅氧厚度增加相当于降低了芯片整体的电场强度，间接提升了良率，但并没有解决边缘电场集中的根本问题，还导致Rdson上升了0.05mΩ，牺牲了器件的导通性能。我们在A03批次调整了退火温度和时间，将栅氧厚度优化回42nm，最终良率提升到95%，Rdson还比A02批次降低了0.07mΩ，完全符合设计要求，这次根因纠错，避免了后续长期采用偏厚栅氧工艺导致的性能损失，也解决了终端结构的工艺隐患。除了短路耐量的根因误判，本次自查还发现了两起典型的根因分析不到位的问题，第一起是A01批次HTRB测试后3个样品Vth漂移超标的问题，当时这3个样品Vth正向漂移达到11.2%，超过了内部要求的5%阈值，项目组判定为栅氧生长过程中炉管污染引入可动钠离子，已经计划安排停炉清洁，调整栅氧生长工艺。本次自查调看测试记录时发现，这3个样品是测试组更换新探针夹具后的第一批测试样品，新夹具到货后仅用无尘布擦拭，没有按照作业指导书要求做乙醇超声清洁，我们随即设计了验证实验：从同一晶圆批次留存的10个未测试样品中随机分为两组，一组使用未清洁的新夹具测试，一组使用超声清洁后的夹具测试，完成1000小时HTRB后，未清洁组有2个样品Vth漂移超过10%，清洁组所有样品漂移都在2%以内，对未清洁夹具做表面离子质谱检测，发现夹具表面钠离子含量是清洁后夹具的12倍，说明漂移超差完全是测试过程引入的污染，并非芯片本身的工艺问题，如果当时直接修改栅氧工艺，不仅会浪费3-4周的工艺调整时间，还会增加不必要的工艺复杂度，影响项目整体进度。这个问题给研发团队的教训就是，异常分析必须首先排除测试环境、测试操作的影响，不能直接默认是芯片工艺问题，先入为主的根因判断很容易导致研发方向走偏。第二起是功率循环测试提前失效的问题，A01批次20个功率循环测试样品中有5个在6万次循环左右就出现Rdson上升超过20%，判定失效，当时超声扫查发现焊接层空洞率都超过15%，项目组直接判定为焊接温度曲线不合理，浸润性不足，因此A02批次将焊接峰值温度从260℃提升到265℃，调整后空洞率降到平均9%，功率循环平均寿命提升到8万次，但仍然达不到10万次的设计要求。本次自查中，我们对失效样品做了剖面研磨分析，发现高空洞全部集中在DBC衬底镀镍层和焊料的结合界面，而非芯片背面金层和焊料的结合界面，调看来料记录后发现，A01批次使用的DBC衬底是三个月前进料，来料后一直存放在普通干燥柜中，没有充氮气保护，我们随即对新衬底和存放三个月的旧衬底做了表面能测试和X射线光电子能谱分析，发现旧衬底表面镍氧化层厚度达到12nm，表面能比新衬底低32%，氧化层导致焊料浸润性下降，无法充分铺展，形成大面积空洞，就是功率循环寿命不足的根本原因。我们将存放三个月的旧衬底重新做喷丸去氧化层再镀镍处理后焊接，空洞率降到平均4%，完成10万次功率循环后没有样品失效，完全符合要求。原来调整焊接温度只是治标，没有解决衬底氧化的根本问题，这个问题暴露了我们来料存储工艺规范不完善，对衬底表面氧化的影响认知不足。本次自查除了对已完成测试的内容进行复核，还针对实际应用场景的测试覆盖度进行了排查，发现原来的测试方案只覆盖了器件单个芯片的性能和可靠性要求，没有覆盖实际应用中的系统级测试项，主要存在三个方面的覆盖缺失：第一是并联均流性测试缺失，我们这款器件用于整车800V平台主逆变器，额定输出电流300A，需要两颗芯片并联使用，均流偏差过大会导致单颗芯片长期过流，降低整机使用寿命，原来的测试方案没有把并联均流性列为必测项，本次自查补做了20组不同配对的并联测试，结果显示，同一晶圆产出的芯片配对，Rdson偏差平均0.08mΩ，并联电流差平均7%，符合设计要求的≤10%，但不同晶圆产出的芯片配对，Rdson偏差平均0.18mΩ，并联电流差平均16%，最大达到18%，超出设计要求，这个问题的根源是我们当前不同晶圆之间的工艺漂移控制还不到位，但是因为之前没有做均流测试，一直没有发现这个问题，现在已经明确将并联均流测试列为送样前必测项，后续也会优化工艺管控，将不同晶圆之间的Rdson偏差控制在0.1mΩ以内，满足跨晶圆配对的均流要求。第二是dv/dt与EMC兼容性测试缺失，原来的开发过程中只关注降低开关损耗，因此将芯片集成栅极电阻设计为10Ω，测试得到的开关损耗比设计目标低12%，项目组一直认为这个参数是优势，本次自查对照整车厂提出的应用要求，发现整车要求dv/dt必须控制在10V/ns以内，过高的dv/dt会在栅极驱动回路感应出共模干扰，容易引发桥臂直通，我们补测后发现，10Ω集成栅阻对应的dv/dt达到15V/ns，超出要求，我们随后做了不同栅阻的验证，发现将集成栅阻调整为15Ω后，dv/dt降到8V/ns，满足整车要求，开关损耗仅上升8%，完全在可接受范围内，这个问题如果到整机测试阶段才发现，整改成本会增加至少三倍，提前自查发现后直接在器件设计阶段就完成了调整。第三是极寒存放启动后的可靠性测试缺失，原来的温度循环测试只做了器件本身的可靠性，没有模拟整车极寒存放后启动的工况，整车在-40℃极寒地区存放后立即启动，结温会在几分钟内从-40℃升到120℃，温度变化速率远大于标准温度循环的变化速率，本次自查补做了100次循环的极寒启动模拟测试，发现有2%的样品引线键合强度下降了12%，接近我们设定的15%的失效阈值，进一步分析发现，键合丝和芯片铝电极的结合面，存在微小的热胀冷缩导致的微裂纹，原来的标准测试没有模拟这个快温变过程，所以没有提前发现，现在已经调整了键合工艺参数，提升了键合压力，优化了超声功率，验证后键合强度下降降到了3%以内，符合要求。本次自查梳理的所有问题与整改落地计划如下：问题编号问题描述风险等级整改措施责任人计划完成时间验证标准1A01批次HTRB测试中间监测数据缺失，无法支撑长期可靠性分析中取出A01批次留存的20个余料，补做100h、300h、500h、800h分段参数测试，补充完整漂移曲线数据张XX2024年6月30日补全所有时间点的参数数据，漂移规律清晰可分析2短路耐量异常原根因分析错误，漏了场限环离子激活度的影响高设计退火温度与时间的DOE实验，建立激活度对击穿电压、短路耐量的量化模型，确定最优工艺窗口李XX2024年7月15日短路耐量良率稳定在96%以上，边缘电场分布与仿真结果偏差≤5%3HTRB漂移超差根因误判，暴露测试夹具清洁操作不规范中更新测试作业指导书，明确新夹具启用前必须做超声清洁，每完成1批次测试后必须做夹具清洁，增加清洁后空白验证环节王XX2024年6月20日连续10批次测试无测试引入的污染超差问题4DBC衬底存储规范不完善，氧化导致焊接空洞率超标，功率循环寿命不足高新增DBC衬底来料存储规范，要求密封充氮气存放，存储温度10-25℃，有效期1个月，超期衬底必须重新检测表面氧化，不合格重新镀镍赵XX2024年6月25日焊接层空洞率平均≤5%，最大空洞率≤8%，10万次功率循环良率≥95%5未覆盖并联均流性测试，跨晶圆配对均流偏差超标的风险未识别高新增并联均流测试为样片全测必测项，优化工艺管控，缩小不同晶圆间Rdson偏差孙XX2024年7月10日跨晶圆配对并联电流差≤10%，符合设计要求6未管控dv/dt满足整车EMC要求，原栅阻设计不符合应用要求中调整芯片集成栅阻设计从10Ω改为15Ω，完成全参数验证周XX2024年6月28日dv/dt≤9V/ns，开关损耗满足设计要求7极寒快温变工况测试覆盖缺失，键合强度存在潜在风险中调整键合工艺参数，完成极寒快温变工况验证，新增该测试项到可靠性测试方案吴XX2024年7月5日100次快温变循环后键合强度下降≤5%，符合要求8赶进度时容易简化测试环节，流程管控不到位低更新研发样片测试管理规范，明确核心可靠性测试环节不得简化，仅可调整抽样数量郑XX2024年6月20日所有研发项目测试方案100%符合标准和应用要求本次研发样品测试与分析自查，不是走形式的流程核查，而是针对整个开发过程中的测试、分析、工艺调整全链路的复盘，我们发现，研发过程中为了赶进度，很容易出现测试简化、根因分析先入为主、应用场景覆盖不全的问题，这些问题如果不能提前发现，到送样甚至量产阶段再整改，付出的成本会是现在的十几倍。本次自查共识别出3项高风险问题，都