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隨著新能源浪潮與全球節能減碳趨勢，汽車龍頭廠商將電動車（Electric Vehicle, EV）功能列入研發藍圖上。根據Yole的預測，從2021至2027年間，全球各類EV市場的平均年復合成長率（CAGR）可達21%，而在電動車的零件組成中，功率元件諸如DC-DC轉換器、車載充電器、逆變器等應用水漲船高，盡管目前這些功率元件的產值仍與成熟IC元件相差許多，但CAGR預期至2027年皆有雙位數的成長。以SiC 模塊為例，到了2027年，其產值可達44億美元，CAGR為38%（圖1），因此功率元件是未來各半導體產業鏈的發展重心之一。

圖1 各類功率元件2021-2027年的營收與CAGR。

為滿足功率元件需求，廠商積極投入第三類半導體

第三類半導體是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料應用的半導體，相較于傳統由硅制作的功率元件，第三類半導體擁有較高的頻率與功率的操作范圍，能應用在許多高科技產業上，例如自駕車、5G/6G、太空、AI、量子高速運算、發電設施等等。

許多傳統功率元件廠商紛紛宣布2022年下半年投入SiC元件的生產，為整體第三類半導體市場帶入更多的動力。圖2說明了由各類材料制造出的功率元件的操作頻率與功率范圍，并說明可應用的領域。

依照不同的應用情境選擇適用的元件種類和電壓應用范圍，圖3是針對不同電壓對元件所作的區分，現今車載功率元件的主流范圍在900V以下，此部份以傳統的Si和GaN MOSFET為主；而1200V以上的需求，則以鐵道或發電廠的應用為主，此操作便需要IGBT或SiC的元件了。

圖3 各類型材料之功率元件的操作電壓。

功率元件全方位檢測分析三大步驟

隨著功率元件產值的提升，自然也帶動了分析檢測的需求。在故障分析的領域上，對元件結構的了解、電性量測是入門的基本功，盡管功率元件的結構較IC簡單，不過材質與金屬連接的布局，卻是影響樣品制備、缺陷觀察的重要影響因子；電性量測方面，由于功率元件的特殊規格，無法使用一般的參數分析儀確認失效行為，因此需要高功率的量測儀器才能執行。綜合以上考量，在全方案分析流程上，可簡易地歸納出以下三大步驟：

1.電性參數量測

IC的量測可以分為靜態測試與動態測試兩種，前者就是DC量測，open/short與leak Hi/Lo皆屬此類，在第三方分析實驗室皆可靠參數分析儀進行驗證，而缺陷的定位也是以靜態測試為主；動態測試即是功能測試，需要ATE或臺架測試（bench test）才能夠達成，不同種類的IC有不同的測試程式，一般第三方分析實驗室無此分析能量，故大多無法進行功能失效的全方案流程。功率元件由于結構簡單，電性參數項目固定，市場上已有單一儀器可進行量測，電性參數在規格書定義得十分清楚，只要依照規格書的項目，便可逐一萃取各個項目值。首先電性參數需要量測，以600V的MOSFET為例，電性參數與說明如圖4；了解電性參數的定義后，即可在某參數異常時，推測是哪一結構出現問題，擬定物性故障分析方案。

圖4 600V MOSFET電性參數與定義說明。

圖5 電容對電壓的關系圖。

圖6 Vgs電壓對gate電荷的關系圖。

2.亮點定位

不論執行何種半導體元件的亮點定位，主要以這三項工具：微光顯微鏡（PEM）、雷射致阻值變化偵測（OBIRCH）、熱影像分析儀（Thermal Emission Microscope, Thermal EMMI）。依電性故障行為與樣品結構考量，選擇合適的定位儀器；從芯片的正面或背面偵測亮點，則視樣品制備難易度而定。功率元件的結構雖然簡單，但樣品制備的難度卻高于IC制程，原因在于功率元件芯片表面有一層厚厚的鋁，遮擋了亮點的觀察，不過在初步的亮點定位上，可優先選擇使用Thermal EMMI，利用其熱傳導的特性，先進行第一次定位，待定位完成后，若需要更精細的范圍，再選擇其它的定位工具。

3.缺陷觀察

由于功率元件的結構簡單，比如MOSFET或IGBT皆是許多cell以陣列的方式并聯排列，而單一明確的亮點即代表缺陷所在的位置，再加上由電性行為可以判斷漏電的路徑，對照結構就可以推論出可能的物性故障現象，所以一般來說，亮點定位完成后直接進行截面的觀察是標準作業流程。對于功率元件來說，要進行截面的樣品制備并觀察缺陷的外貌，主要有兩種方式：一是聚焦離子束（Focused Ion Beam, FIB），另一種則是穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy, TEM），兩者的差別主要在于解析度差異，FIB可觀察燒熔、制程異常、外來物等較明顯可見的異狀，而TEM則可以觀察晶格缺陷。在第三類半導體的材料中，可能存在差排的晶格缺陷，若執行FIB后未見明顯異常，可再轉做TEM觀察。

圖8 GaN MOSFET以FIB和TEM觀察到的裂痕和差排。

圖9 SiC MOSFET以TEM觀察到的差排。

若是因離子布植問題造成的漏電，上述兩種顯微鏡便無法派上用場，需要使用掃描式電容顯微鏡（Scanning Capacitance Microscopy, SCM）來觀察p-type與n-type攙雜的分布。濃度異常除了會造成電池泄漏，還會因為影響了電場分布，而導致擊穿現象所產生的大電流問題。綜觀以上，只要有適當的分析工具，組合成既定的分析步驟，再整合電性特征與物性結構，便能有效地挖掘出故障的真因。隨著功率元件的應用愈發廣泛，相信此套分析流程，能夠協助功率元件廠商快速研發與提升量產良率。

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