车规级半导体分立器件质量保证要求研究

1 引言

目前汽车电子委员会 (AEC ) 发布的 AEC Q101《基于失效机理的汽车用分立器件应力试验鉴定要求》已得到行业的广泛认可和应用。通过汽车 AEC Q101 鉴定的分立器件，是目前可靠性最高的民用分立器件，其应用已逐步扩展到医疗、航空、航天等高可靠装备中。国内对车规级分立器件质量保证要求研究不多，现有研究也主要侧重鉴定考核项目。2021 年 3 月 AEC 发 布 了 AEC Q101E 版， 本 文 结 合AEC Q101E 版相对 D 版的修订情况，从鉴定考核要求、鉴定扩展、关键检验项目试验应力的确定原则以及局限性和应对策略 4 个方面对车规级分立器件的质量保证要求进行研究。

2 鉴定考核要求

汽车属于预期寿命较长的产品，汽车在工作过程中会经受高温、高湿、低温、温度迅速变化以及剧烈的振动等恶劣的自然环境，而汽车对关键组件( 如安全气囊控制系统、刹车系统等 ) 的可靠性要求极高，以上因素导致汽车厂商对车规级分立器件提出了极高的可靠性要求，鉴定考核项目众多且试验应力严酷。AEC Q101D 版将所有的鉴定考核项目都列在一个检验表中，缺乏条理性。此次修订，AECQ101E 版将检验项目分为加速环境应力试验、加速寿命试验、封装完整性试验、芯片制造可靠性试验和电性能验证试验 5 个群组，共包括 57 项检验。分立器件的封装形式分为气密封装和非气密封装 ( 塑封 ) 两种，目前民用产品的封装以非气密封装为主，AEC Q101 规定的大部分检验也是针对塑封封装器件制定的。

2.1 加速环境应力试验

加速环境应力试验主要考核器件承受高温、高湿、温度变化等环境应力的能力，主要包括预处理、带偏置的强加速稳态湿热试验、不带偏置的强加速稳态湿热试验、温度循环试验和功率循环试验，具体项目和要求见表 1。该分组每项试验的样品需从 3个非连续生产批中抽取，每批抽取 77 只器件，不允许出现任何失效。

AEC Q101 规定的加速环境应力试验主要考核器件耐环境应力的能力。

(1) 预处理仅针对表面安装分立器件。表面安装器件引出端距离本体很近，焊接时会受到较大的热应力作用，如果器件的材料吸收潮气，可能导致出现爆米花现象。预处理模拟器件在安装时受到的热应力，主要步骤包括电测试、外部目检、温度循环 (5次 )、烘焙、吸潮、模拟回流焊 (3 次 ) 和终点电测试。进行 3 次回流焊是模拟器件进行双面安装并进行一次返工的情况。

(2) 带偏置的强加速稳态湿热试验是通过施加严酷的温度、湿度和偏置条件加速潮气穿透外部保护材料 ( 塑封料 )。GB/T 4937.4-2012《半导体器件 机械和气候试验方法 第 4 部分 ：强加速稳态湿热试验 (HAST)》 规 定“130 ℃，96 h 的 HAST 试 验 产 生的失效机理与相对湿度 85%，85 ℃，1 000 h 的高温高湿反偏 (H3TRB) 试验相同”。HAST 试验使用了超出正常使用条件的环境应力，加速系数较大，可能诱发正常条件下不会发生的失效。AEC Q101 规定HAST 试验的电压不超过 42 V，H3TRB 试验的电压不超过 100 V，主要原因是试验时湿度较高，较高的电压容易导致试验箱内产生电火花。随着试验设备的进步以及碳化硅等高压器件对施加较高偏置电压的需求，今后器件承制方需要根据实际情况提高试验时施加的偏置电压。

(3) 温度循环试验模拟温度剧烈变化对器件的影响，考核器件承受由于不同材料热膨胀系数的差异而产生的内部剪切应力的能力。AEC Q101 规定试验最低温度为 -55 ℃，最高温度为器件的最高结温，循环次数为 1 000 次，远远严于普通民用产品。例如，GB/T 12560:1999《半导体器件 分立器件分规范》规定的循环次数为 500 次循环。AEC Q101E 规定试验后可以选择 ：进行 125 ℃下全部电参数的测试之后进行开封并选取 5 只器件进行键合强度测试，或者进行超声扫描，如果出现分层，则选取分层最严重的 5只器件进行开封并进行键合强度试验，如果通过键合强度试验，则器件通过该分组试验。

(4) 间歇工作寿命试验是通过间歇地对器件加电 /断电实现器件温度的变化，考核器件结构和材料耐受由于温度变化带来的内部剪切应力的能力。与温度循环相比，间歇工作寿命是通过器件自身发热实现温度变化的，试验时器件内部存在温度梯度，对器件的考核更为严酷。

间歇工作寿命试验有两个关键的考核条件，一是加电 / 断电实现的结温或壳温的温度变化，另一个是加电 / 断电的循环次数。对于传统的金属陶瓷封装，容易判断壳温的变化，因此一般规定壳温的变化量。对于塑封分立器件，由于塑料是热的不良导体，因此很多封装形式很难监测壳温变化量。因此 AEC Q101 规定通过监测结温的变化控制加电和断电，并给出了结温变化 100 ℃和 125 ℃两个条件。

对于循环次数，AEC Q101D 版和 AEC Q101E 版规定需要进行的循环次数，同时又提供了计算循环次数的公式。以结温温升 100 ℃条件下的循环次数为例，循环次数为 15 000 次，计算公式为 60 000/(x+y)，x、y 为实现结温变化所需最短加电和断电时间。以加电 2 min，断电 4 min 为例，循环次数为 60 000/(2+4)=10 000 次循环。调查发现，AEC Q101C 版是根据封装体积确定循环次数要求的 ：小体积器件 ( 例如 TO-220 封装 )加电和断电时间分别为 2 min，需要 15 000 次循环 ；中等体积器件 ( 例如 TO-3、TO-247 封装 ) 加电和断电时间分别为 3.5 min，需要 8 572 次循环 ；大体积器件加电和断电时间分别为 5 min，需要 6 000 次循环 ；无引线器件需要按照 60 000/(x+y) 进行计算，最多不超过 15 000 次循环。由于封装形式越来越多，不易区分，因此 AEC Q101D 版和 AEC Q101E 版对以上原则进行了简化，这也导致部分内容不易理解。

2.2 加速寿命试验

加速寿命试验是通过加电的方式加速器件的退化，评价器件的寿命是否满足规定的要求具体项目和要求见表 2。AEC Q101E 版规定的加速寿命试验包

括高温反偏和高温栅偏两个分组，每项试验的时间都是 1 000 h，闸流晶体管的高温反偏用交流阻断试验代替，齐纳二极管的高温反偏用稳态工作试验代替。高温栅偏仅适用于场效应晶体管。该分组每项试验的样品需从 3 个非连续生产批中抽取，每批抽取 77 只器件，不允许出现任何失效。

2.3 封装完整性试验

AEC Q101E 版规定的封装完整性试验主要考核器件的机械特性，包括对键合工艺、芯片粘接工艺、耐受焊接时热量的能力、耐机械应力的考核，具体项目和要求见表 3。其中，恒定加速度、扫频振动、机械冲击和密封试验仅适用于气密封装器件，且需要串序进行。该分组的样品从 1 个生产批中抽取。

2.4 芯片制造可靠性试验

该分组试验适用于 MOSFET 和 IGBT，具体内容是通过检验栅极氧化层绝缘完整性评估芯片制造工艺对器件可靠性的影响。芯片制造工艺发生变化前、后需要进行该试验。

2.5 电特性验证

电特性验证的主要目的是验证器件的电特性是否符合规定，具体项目和要求见表 4。一般民用器件仅要求验证常温下的电参数指标，而 AEC Q101 规定需要验证器件在高温、常温和低温下的所有电参数指标。非嵌位感性负载开关试验考核 MOS 和 IGBT在系统应用中遭遇极端电热应力的能力，通过这种测试，我们可以得到 MOS 器件耐受能量的能力。

2.6 铜丝键合器件的鉴定

随着铜丝键合的生产工艺不断地进步，铜丝键合器件的市场占有率在不断地增长，但是铜丝键合器件的可靠性水平与金丝键合器件相比，仍然存在一定的差距。铜丝键合还存在以下 2 个方面的问题 ：一是铜丝容易被氧化，从而影响键合的质量 ；二是铜丝的硬度和屈服强度比金丝的高，键合时需要更高的超声功率与键合压力，容易损伤芯片。此次修订，AEC Q101E 版增加了对采用铜键合丝的器件的考核要求，检验项目为温度循环、HAST、间歇工作寿命试验和高温反偏，提高了试验的应力，并增加了试验强度和试验前、后的检验和分析项目。

2.7 失效判定

电子元器件在进行各项试验 ( 特别是寿命试验 )后，电参数一般会出现一定的漂移。电参数变化率的多少反映了产品一致性的好坏，可以从一定程度上反映产品长期可靠性。汽车的最低设计寿命为 15年，因此，对电子元器件可靠性有较高的要求，不允许产品试验后电参数出现较大变化。AEC Q101 规定试验后电参数 ( 漏电流除外 ) 除应符合产品规范要求外，其变化量不得超过 ±20%。

AEC Q101E 版新增以下规定 ：

● 对于导通电阻 (RDS(on)) 小于等于 2.5 mΩ 的器件，间歇工作寿命、功率温度循环和温度循环试验后允许导通电阻变化量不超过 0.5 mΩ ；

● 潮湿相关试验后漏电流的测量值不得超过初始值的 10 倍，其他试验后的测量值不得超过初始值的 5 倍。

2.8 其他说明事项

分立器件厂商的产品要进入车辆领域，打入一级汽车电子大厂的供应链，必须符合两个条件，一是产品通过 AEC-Q101 要求的鉴定考核，二是质量管理体系通过 IATF16949《汽车质量管理体系标准》认证。AEC Q101 规定，器件顺利通过了该标准规定的各项试验，即可声明该产品通过 AEC Q101 鉴定。由于汽车电子委员会不提供产品的认证服务，因此市场上不存在通过认证的车规级元器件。

3 鉴定扩展

AEC Q101 规定的鉴定考核项目多、应力高，因此试验费用高、周期长。对每种型号的器件都进行鉴定考核既耗时又费力，会极大地增加最终产品的成本。为了降低产品鉴定考核的成本，AEC Q101 规定可以将结构相似的产品列入同一族系，利用族系中已鉴定合格产品的鉴定考核数据，将鉴定合格资质扩展到族系中其他器件。

3.1 鉴定扩展原则

实施鉴定扩展应符合以下原则 ：

(1) 对于没有相似产品的试验数据的新器件，按检验表的项目和抽样方案进行检验 ；

(2) 对于族系中已有代表产品通过鉴定考核的其他器件，如果器件的复杂程度低于已通过鉴定的产品，这类器件仅需进行静电放电敏感度试验和电参数验证；

(3) 对于有部分试验数据的器件，根据具体情况确定需要进行的检验项目 ；

(4) 对于工艺过程进行变更的器件，按规范的要求补充相应的检验。

3.2 列入同一族系的原则

AEC Q101 从晶圆制造和组装工艺两个方面给出了列入统一族系的标准。

晶圆制造方面，列入同一族系的产品应是同一晶圆制造厂生产的器件门类和晶圆制造工艺相同的器件。AEC Q101 将器件分为功率场效应晶体管、小信号场效应晶体管、功率双极型晶体管、小信号双极型晶体管、IGBT、整流二极管等器件类型，同一族系的器件必须属于同一门类。AEC Q101 将晶圆制造工艺细分为制造流程、芯片版图设计规则、单元密度、掩膜的数量、光刻工艺、掺杂工艺、钝化 / 玻璃化材料和厚度、氧化工艺和氧化层厚度、芯片正面金属化和背面金属化材料、厚度和层数等 10 个方面，同一族系的器件其晶圆制造工艺必须相同。组装工艺方面，列入同一族系的产品应是同一组装厂生产的封装形式相近，组装工艺相似的器件。

由于分立器件封装形式众多，AEC Q101 未能给出属于同一门类器件的具体封装形式。AEC Q101 将组装工艺细分为引线框架材料、引线框架镀覆、芯片安装材料和安装方式、键合丝材料、直径和键合方式、塑封料等 6 个方面，同一族系的器件其组装工艺必须相同。

4 关键检验项目试验应力的确定原则

AEC Q101 规定的温度循环试验、间歇工作寿命试验、高温高湿反偏试验等关键检验的试验应力是依据汽车电子的典型任务剖面确定的。

AEC Q101D 给出了汽车电子需要满足的典型的任务剖面 ：

● 15 年的使用寿命 ；

● 发动机工作时间 12 000 h ；

● 发动机待机时间 3 000 h ；

● 不工作时间 116 400 h ；

● 600 000 km 里程 ；

● 发动机启动次数 54 750 次。

AEC Q101E 版省略了以上具体信息，而是规定需要根据任务剖面 ( 使用寿命、发动机工作时间、发动机待机时间、不工作时间和发动机启动次数 )确定具体的试验条件。这是由于新能源汽车的工作模式和燃油车有很大不同，因此需要根据具体情况确定试验条件。但是，省略典型任务剖面信息会对理解 AEC Q101E 版给出的关键考核应力的计算过程带来困惑。

随着自动驾驶、新能源汽车的发展，整机厂商对汽车电子的要求也在不断提高。汽车电子应用的任务剖面可能提出更严酷的环境适应性要求、更长的服役时间以及更低的失效率要求。新技术和新材料 ( 如铜丝键合技术以及碳化硅材料 ) 的采用可能导致器件的失效机理发生改变，用户需要根据具体的任务剖面确定检验项目的试验应力。

因此，AEC Q101E 版在附录 7 中给出了根据器件应用的任务剖面确定检验项目试验应力的指南，并给出了高温栅偏或高温反偏试验、温度循环试验、间歇工作寿命试验等关键检验项目试验应力的确定过程，可以指导器件的研制单位确定新型器件的考核应力或指导器件用户对现有已认证器件对应用的适应性进行评估。

4.2 关键检验项目试验应力的确定过程

4.2.1 高温栅偏或高温反偏试验

根据汽车电子典型应用的任务剖面，15 年内器件的工作时间 tu 为 12 000 h，假设器件在使用环境中的平均结温 Tu 为 100 ℃，高温栅偏或高温反偏试验时器件的结温 Tj 为 150 ℃。AEC Q101 版采用阿伦尼乌斯模型对高温栅偏或高温反偏试验引发失效的机理进行建模，见公式 1。

AEC Q101 采用 0.7eV 作为激活能的典型值，玻尔兹曼常数 kB 取 8.61733×10-5eV/K。根据公式tt=tu/Af 计算出时间时间为 916 h，AECQ101 取 1 000 h 作为规范中规定的高温栅偏或高温反偏试验时间。

研制单位或用户可以根据具体的使用条件计算出具体应用条件下所需的试验时间。

4.2.2 温度循环试验

根据汽车电子典型应用的任务剖面，15 年内器件要承受 54 750 次开关循环，假设器件在使用环境中受外部因素影响而引发的温度的变化平均值 ΔTu为 70 ℃，温度循环试验时器件的温度变化 ΔTt 为205 ℃ ( 低温 -55 ℃，高温 125 ℃ )。AEC Q101 采用Coffin-Manson 模型对温度循环引发的失效的机理进行建模，见公式 2。

AEC Q101 取 m=4 计算温度循环试验的加速系数，并根据公式nt=nu/nt计算出的需要进行的温度循环的次数为 744 次循环，通过取整，AEC Q101 规定鉴定时需进行 1 000 次温度循环试验。

研制单位或用户可以根据具体的使用条件计算出具体应用条件下所需的温度循环次数。

4.2.3 功率循环

根据汽车电子典型应用的任务剖面，15 年内器件要承受 54 750 次开关循环，假设器件在使用环境中的由于自身发热而引发的温度的变化的平均值ΔTu 为 55 ℃，功率循环试验时器件的温度变化 ΔTt为 100 ℃ ( 常 温 25 ℃， 加 电 后 结 温 达 到 125 ℃ )。AEC Q101 采用 Coffin-Manson 模型对功率循环引发的失效的机理进行建模，见公式 2。

AEC Q101 取 m=2.5 计算功率循环试验的加速系数，并根据公式nt=nu/nt计算出的需要进行的功率循环的次数为 12 283 次循环，通过取整，AEC Q101 规定鉴定时需进行 15 000 次功率循环试验。

研制单位或用户可以根据具体的使用条件计算出具体应用条件下所需的功率循环次数。

5 局限性及应对策略

车规级分立器件属于民用产品，对航空、航天等应用领域有一定的局限性，具体体现在以下 2 个方面。

(1) 设计和材料经常变更，例如，将键合丝由金丝、铝丝调整为铜丝，不同批次产品可靠性存在较大差异，用户购买的产品可能并非最初进行评价的产品。虽然变更后器件的可靠性仍能满足规范要求，但其可靠性确实有变化，能否满足具体应用需求需要重新确认。

(2) 车规级分立器件的考核是针对汽车寿命周期内的任务剖面制定的，未考虑航空、航天应用的任务需求，考核项目具有一定的局限性。针对车规级分立器件在高可靠应用中的局限性，笔者提出相应的应对策略 ：

(1) 针对车规级分立器件设计和材料经常变更的情况，建议用户批量采购同一批次的产品，避免不同批次产品设计和材料不一致带来的影响 ；

(2) 针对车规级分立器件考核项目的局限性，建议用户针对具体任务剖面提出需要补充的考核项目，例如盐气试验、低气压试验、耐辐照试验等。

6 结语

车规级分立器件的鉴定考核项目和应力针对汽车寿命周期的任务剖面制定，具有考核项目全面、试验应力严酷等特点，已广泛应用在航空、航天等高可靠领域。建议用户在评估车规级分立器件的适用性时，根据应用的任务要求确定评估试验的项目和试验应力。

来源：中国电子技术标准化研究院  作者：张秋 闫美存