在功率半导体器件的研发与生产过程中，高温反偏（HTRB）可靠性测试是一项至关重要的环节，它对于评估器件在长期高温高压应力下的可靠性和稳定性起着关键作用。
一、HTRB 定义 HTRB（High Temperature Reverse Bias，高温反偏）可靠性测试是一种加速寿命试验。通过同时施加温度应力和电应力，加速器件终端的老化过程，从而激发功率半导体器件在设计或制造过程中终端存在的潜在缺陷。这一测试是功率器件耐压特性考核的重要手段，能够有效评估器件在长期高温高压环境下的可靠性和稳定性。
二、测试方法 以 MOSFET 器件为例，具体测试步骤如下：
样品准备与温度设定：选取一定数量的样品，测试完成后将其放入恒温箱中，温度通常设定为器件的允许工作结温，一般为 150℃。
电压施加：将器件的源极与栅极短接，在源极与漏极间施加电压 VDS。为避免出现与实际情况不符的失效模式，电压通常不超过额定电压的 80%。
测试持续与参数监控：在这种电热应力条件下持续一定时间，一般为 168h 或 1000h。在考核过程中，可以实时监控漏极电流（IDSS）的变化。测试结束后，待器件冷却至室温，进行动静态参数测试，若参数超出规格，则判定为失效。
注意事项：HTRB 测试时，开始需要先加电压再将恒温箱升温，结束时需要先降温再切断电压。这是因为电压的作用是提供电场，聚集可移动离子并产生表面电荷；温度的作用是加快可移动离子的迁移，加速聚集。若先降电压，已聚集的离子在高温状态下，没有了电场的约束会快速分散开，从而影响老化测试结果。
测试装置基本构成：测试装置主要包括恒温箱、电源等部分，用于提供稳定的温度和电压环境，确保测试的准确性和可靠性。
三、失效机理 在高温高压应力下，器件内的可动离子（以 Na为例）会在高场强区域加速积累，形成表面电荷。积累的表面电荷会改变终端区域的电场，导致漏电流上升，严重时造成器件失效。可动离子 Na引发器件耐压退化的主要机理有两种：
感应沟道：当器件处于反向偏压状态时，可动离子（Na）在器件的表面沿着电场方向移动，会吸引 N 型硅区域中的电子向器件表面聚集，从而在 N 型硅表面形成电子积累层。电子沿着器件表面形成的电子积累层向高电位运动，电子的定向持续流动便形成了漏电。这种可动离子引起的漏电并非正常的 PN 结漏电，导致器件漏电增大，反向阻塞能力被削弱，耐压能力发生退化。
耗尽层展宽：当 Na在器件的表面沿着电场方向移动到低电位附近区域时，会在 PN 结的表面聚集。当可动离子聚集到一定数量时，由于 Na会在 P 型区域中感应出负电荷，增大了器件表面的电场强度，因而器件耐压能力发生退化。
可动离子（Na）主要来源于芯片制造（如离子注入、氧化等）及封装过程（如焊接助焊剂、环氧树脂等），其在芯片中分布的主要位置包括：钝化层的表面与内部、氧化层的表面与内部、金属氧化层界面、Si - SiO界面。
实际 HTRB 考核常见的器件失效种类及表现：
可动离子电荷改变终端电场分布，失效表现为耐压降低，漏电增大。
水汽侵入，失效表现为内部短路，框架变色。
焊点接触不良或空洞，失效表现为电阻增大。
栅氧缺陷，失效表现为阈值电压不稳定，电流输出曲线有交叠。
材料热应力不匹配造成分层，失效表现为耐压降低，漏电急剧增大。
四、失效分析实际
在 480V 反偏电压、150℃环境温度条件下进行 HTRB 测试 24 小时后，多支器件的击穿电压由 660V 退化至 550V 左右。
分析过程：
取 1 支失效样品，在 180℃温度下烘烤 6 个小时，器件的击穿电压恢复至 660V；然后再次在 480V 反偏电压、150℃环境温度条件下进行 24 小时的 HTRB 测试，器件的击穿电压再次由 660V 退化至 550V。
取 1 支失效样品，开盖后随即测试击穿电压，器件的击穿电压恢复至 660V；然后将开盖后的样片在 480V 反偏电压、150℃环境温度条件下再次进行 168 小时的 HTRB 测试，测试后的器件未发现有击穿电压退化的现象。
分析：高温烘烤后器件的击穿电压可以恢复至 660V，由此可以推测器件的击穿电压退化是由水汽或可动离子引起的。但是再次进行 HTRB 考核时，又出现电压退化现象，而水汽在高温烘烤中会散去，所以水汽引起的击穿电压退化现象不可重复，故可以排除水汽为器件失效的原因。此失效可分析为可动离子引起。失效样品开盖后击穿电压可以恢复至 660V，重复可靠性未见电压退化现象，由此推测为湿法开封时芯片表面温度很高，致使环氧树脂被腐蚀掉的过程中，芯片表面的 Na源消失，大量分布在芯片表面等待扩散的 Na被酸性液体带走。
结论：此次 HTRB 测试后击穿电压退化是由芯片封装过程引入的可动离子所导致。
五、可靠性提升
高温反偏（HTRB）主要考核器件终端，同时根据可靠性失效分析结果，优化器件终端结构、钝化工艺是可靠性提升的主要方向。以下是几种常见的终端钝化材料介绍：
硼磷硅玻璃（BPSG）：BPSG 中的负离子能够中和 Na，增加 BPSG 中掺入磷元素的含量，能够减小 Na污染的影响。
聚酰亚胺（Polyimide）：和其他钝化材料相比，聚酰亚胺钝化具有耐高温、电绝缘性好、成膜工艺简单、成本低、热稳定性好、致密性好、针孔密度少、固化温度低、抗 Na沾污能力强等优点。研究表明，在聚酰亚胺 - 二氧化硅结构中，聚酰亚胺层中带有 10cm个负电荷，它能有效地削弱 SiO层中正电荷对器件的不良影响而阻挡 Na渗透。
氮氧化硅（SiON）：性能介于氮化硅（SiN）和二氧化硅（SiO）之间，它兼有 SiO和 SiN的优点。与 SiN相比，氮氧化硅改善了热稳定性和台阶覆盖能力，降低了膜应力。它能够很好地抵抗湿气和 Na的穿通，有很好的机械、化学和电学特性。
无定形硅（Si）：无定形硅又称非晶硅，是硅的一种同素异形体。无定形硅中原子间的晶格网络呈无序排列。由于这种不稳定性，无定形硅中的部分原子含有悬空键。这些悬挂键可以固定住 Na，并且无定形硅有很好的热稳定性以及较大的电阻率。
