结构函数和器件的可靠性
结构函数和器件的可靠性
——写在用户年会之后
摘要：结构函数理论性强，精度高，应用结构函数可以观测电子器件的失效过程，精确量化失效参数，因而在电子器件热可靠性评价中，有广泛的应用前景。
01 现状及问题的提出
汽车功率器件的可靠性标准AQG 324是推荐标准。AQG 324标准的火热起因于某主机厂的需求。在疫情器件，由于缺少大量的芯片，不得不放开采购来源，为了对芯片的质量做筛选，要求供应商的产品必须满足AQG 324的标准。 个人的观点，该标准的功率循环实验存在着一些不可避免的问题（参考文章：《破析 AQG 324 功率循环实验（PC）失效判定标准》）。 第一．热阻测试问题。AQG 324标准中，失效判据是正向电压增加5%（主要由Bond wire脱落导致），或者是热阻增加20%，而热阻测试延用的是JESD 51-1的标准，数据重复性不好； 第二，实验设计问题。AQG 324的实验设计分为秒级循环和分钟级循环，电流要求大于满载电流的85%，秒级和分钟级分别对应不同的封装材料，但比较模糊，而85%的电流和实际工况有一定的差距； 第三，数据处理及应用问题。在一定的循环次数下是否失效，是目前主要的工程应用，而失效分析略显不足，不利于器件的持续改进。 02 问题分析
JESD 51-1标准对热阻的测试，存在很大的误差，有一些极端的状况还会出现循环后的热阻值小于循环前（具体原因在前面的文章中多次论述，这里就不再重复），这是数据重复性不好的主要原因，而SIC的数据重复性尤其不好。也有一些企业意识到了这个问题，把热阻测试标准从JESD 51-1 换成了JESD 51-14，工程应用中，通常是功率循环试验前测一次热阻，功率循环实验后再测一次热阻，计算这两个值之间的差值，如果小于20%，说明器件合格。 JESD 51-14标准明确指出，离开了测试条件，最终的测量值是没有意义的。而功率循环前后的测试条件显然发生了变化，即使用双界面法去测热阻，其数据的物理意义一样会发生变化，最终导致热阻的漂移值并不能成为失效的有效判据。 关于实验设计，我以前也曾写过两篇文章（参考文章：《功率循环的实验设计》），文章认为AQG 324的实验设计，并不是考察汽车电子可靠性的等效加速模型，更近乎是一张门票——如果能过即可上车。可靠性的影响因素很多，简单的秒级和分钟级循环无法对这些影响因子做出精准的量化数据。这个领域，应该说是才刚刚打开一扇门，后期要依赖有效的数据分析方法和工具，设计更精细的实验，获得有一定参加价值的数据，建立重复性高的可靠性模型，去探索相关的失效机理。这需要整个行业对这件事情有清晰的认知，并投入资源做大量深入的研究，从而建立更有效的行业标准。 在测量精度不能保证，实验设计存在缺陷的前提下，数据其实就没有什么参考价值。或者我们可以认为，在企业内部，获得这种数据就相当于一个工作任务，做过了，有相应工作记录即可，而在第三方测试中心，更多的是提供一个报告，甚至可能在数据不过的情况下，通过调整实验参数，获得想要的数据，以达到测试通过的目的。 03 结构函数是解决方案
结构函数是一种理论方法，起源于20世纪初，是由法国数学家ClaudeShannon首次提出。结构函数通过数学模型来描述结构系统的性能和参数之间的关系，可以分析复杂结构系统性能，因而被广泛应用于各类工程设计及科学研究中。 散热系统的结构函数，通过对结温的瞬态变化采集，转换成的热性能参数（热容，热阻），并尝试对结构函数和散热材料之间的关系经行建模，从而实现对系统散热结构的观测和优化。这方面的应用贡献主要来源于匈牙利的科学家Szbkely上一个世纪80-90年代间，Szbkely在该领域做了大量的研究（参考文章：《半导体瞬态热测试技术的前世今生及未来》），并在2010年形成JESD 51-14的瞬态热测试标准。 结构函数是散热路径的一维数学模型，而温度场是高斯分布，实际的散热路径上的材料总和，和边界条件有很大的关系，因此结构函数和材料之间的对应关系是模糊的，并不严谨。直到2016年，罗亚非博士的《三维热阻模型》，可以对结构函数和散热路径上的材料做精确建模，从而推动了整个行业技术的发展。 器件在实际使用或者老化实验中，由于交变应力的影响，器件的材料之间会产生一定的间隙，缺陷，这些缺陷和间隙会导致器件的整体散热能力退化，这就是用热阻的增加值作为器件降级判据的原因。但是器件的散热路径上有很多层不同的材料，每一层之间都存在接触热阻，这导致整个器件的散热结构非常复杂，热阻值是一种综合效应，无法定位到用结构函数来对这种复杂结构进行建模，可以观测电子器件的失效过程，精确量化失效参数，因而在电子器件热可靠性评价中，有广泛的应用前景。 最早功率循环设备结合结构函数应用的是中车，当时中车一直用基于热阻法的功率循环设备，同时中也采购了Mentor的瞬态热测试设备。基于热阻法的功率循环设备测热阻误差较大，便产生了把瞬态热测试设备和老化设备集成在一起的想法。罗亚非博士当年在Mentor任亚太区技术总监，在客户的需求驱动下，主持研发了集成功率循环和瞬态热测试两大功能的设备——PWT。同时基于PWT的功能特性，开发了一系列数据获得，数据分析和数据处理的工程应用规范，只是因为相对比较严格，并没有在行业内部得到有效的推广，然而像中车，芯联等头部企业，他们在处理功率循环的数据时，其判据基本上采用了结构函数的漂移值，而不是电压的漂移值，这样可以保证数据的重复性和精度。 04 结构函数应用的注意事项
结构函数比较敏感，想要得到准确的结构函数曲线，在瞬态热测试的实验设计中，我们必须要严格执行瞬态热测试的工程应用规范。 首先要对样品进行预检，以确定合理的检测参数，包括加热电流，测试电流，测试环境参数等等。选择合适的测试电流，就需要标定其电压温度响应曲线——K系数，并要对测K的过程数据做全面记录以保证数据可追溯。 其次，测试结构函数要保证数据的重复性，任何实验都有一定偶然性，保证实验数据的精确，其重复性验证是一个必要环节。验证重复性的方法也有很多，常用的就是数据的乖离率，另外加热区的电压上升曲线的重合度也可以保证数据的重复性。在验证重复性的过程中，要注意测试条件的变化，周围的环境对数据的影响等等。 第三．为了得到理想的结构函数漂移曲线，在功率循环实验的整个过程中，绝对不能移动或者重新装夹样品。为了能观测器件的降级过程，通常可以设计一定的功率循环周期后，暂停功率循环，测一次结构函数，然后继续老化。不移动样品或者不重新装夹，是为了保证样品以外的热阻变化尽可以很小，消除不必要的实验误差。如果每5000次测一次热阻，那么在10万次功率循环实验中，我们可以得到20条结构函数曲线，可以形成一个逐步右移的结构函数图谱，然后通过等热容线去观测结构函数的漂移。 样品的降级还可以通过局域结构函数和二次微分结构函数去观测，局域结构函数横轴是热容，纵轴的热容对应的热阻值，器件降级一般不会只发生在同一层材料上，通过局域结构函数，可以观测每个热容对应的热阻变化，从而找到器件降级过程中相对比较薄弱的环节。二次微分是微分结构函数对热阻的再一次求导，这个需求也是来源于客户，他希望从二次微分结构函数上，看到各层材料之间的温度场梯度的突变，具体如何应用，我们也在摸索阶段。 
图一 局域结构函数和二次微分结构函数
05 结论
可以认为，功率器件的可靠性主要是因为热问题导致的，而器件散热路径的客观数据，包含各层材料对应的热容值和热阻值及其变化，可以准确描述器件的散热性能及降级过程。通过结构函数和材料之间的对应关系，还可以定位器件主要降级发生的位置信息。器件老化过程中，Bond wire 脱落，Die Attach的降级，焊接层的降级等等，最终都会导致电压上升，通过结构函数的漂移，对散热路径做精确的检测和分析，能提取出每层材料退化所占有的权重，为器件的封装方案的优化，提供了坚实的数据基础。 基于JESD 51-1的设备，在同等的条件下，其实验数据和基于JESD51-14的比较接近，但两种设备成本和价格存在很大的差异。其中最主要的原因是看客户的应用是基于放行逻辑，还是精确判断逻辑。如果基于放行逻辑，主要衡量点就是过不过，只要条件确定，最终数据横向比较，还是有意义的，在该应用点上，客户没有必要采购昂贵的设备。 而如果客户应用是基于精确判断逻辑，希望能准确知道器件的设计和可靠性的关系，并通过实验数据，找到研发的问题，持续改进。在这个应用点上，结构函数是不可或缺的。 06 展望
有很多人都有这样的观点，认为带结构函数的设备，其应用有一点超前，更适合实验室做精细的研究，平时的可靠性检测，用不带结构函数的设备即可。 个人对这个观点，并不完全认同，持有上述观点的人，其主要的原因有两个：如果严格的执行同样的实验条件（不能调整参数），实验结果横向对比，确实是有一定的参考意义，更重要的是，国外的大厂，比如英飞凌，意法半导体，赛米控等半导体行业巨头，他们对可靠性的评价，也是依据AQG 324实验。 确实如此，但在产品设计上，国际半导体巨头和中国的企业有一个本质的差别。国际巨头的产品是正向设计，在设计的过程中，依据企业在材料，仿真，电子电路的积累，在正向设计的大背景前提下，用一个标准作为对设计的检验，可以认为是加了一道防火墙，一可以规避一些设计可能存在的潜在风险，二可以防范一些工艺波动，这样基本上就可以保证产品的可靠性。我不能说这种方案是最合理的，但确实可以解决问题。但国内的半导体企业，走正向设计的少之又少，很多可能导致可靠性问题的因素，并没有在早起的设计中排除掉，而被带入到产品的设计方案中，用AQG 324这种非常粗略的检验手段，并不能有效的检测出设计中的问题，甚至一些被放行的设计方案，都有可能存在设计风险。 我并非在危言耸听，可靠性的问题，通常是在产品应用中被发现（实际上已经有一些案例了），这需要一定的时间，现在没有发现，并不代表这些问题不存在。从理论上，我们必须建立底层的可靠性逻辑，通过对半导体材料的性能监控，充分分析影响可靠性的因子，结合合理的实验设计，得到有效的数据和加速模型。 结构函数不仅可以满足功率循环实验的要求，在器件其他的可靠性实验中，也可以发挥巨大的作用。可靠性可以分为微笑曲线的左侧可靠性和右侧可靠性。比如我们常见的间隙老化和温度循环，还有施加特定负载的拖动台，都是属于右侧老化实验，其原理就是给器件按照其实际工程应用要求，加载一定的加速负荷，再观测其器件的降级过程，而如果用结合结构函数技术，可以观测器件的实际降级过程。而无功老化，器件遴选，质量检测等工程应用，大部分是微笑曲线的左侧，当器件被施加一定的载荷后，通过结构函数的判断，可以更准确的评价器件性能。 
图二 结构函数的拓展应用
中国企业的崛起，离不开逆向设计，我们学习国外先进的技术，迅速积累工程应用的知识，但不能简单的照搬照抄。产品研发体系是一个整体的有机系统，每个环节并不是独立的，我们要依据现有的技术框架，找到底层逻辑，当国外的底层逻辑并不是很清晰的时候，就要立足基础研究，形成产品设计的闭环。基于这个逻辑，我个人觉得，不仅仅我们要学会应用结构函数，还需要大面积的应用，做更有深度的应用，倘能如此，中国企业在技术上赶上甚至超越国外的企业，只是一个时间问题。 
