자동차 내부의 전자 콘텐츠는 매년 높은 증가세를 보이고 있다. 점점 더 많은 기계 부품과 유압 부품이 전기 및 전자 시스템으로 대체되고 있다. 이러한 경향은 보다 높은 연료 효율과 CO2 배출 저감에 대한 요구에 의해 견인되고 있다. 파워트레인의 전화(電化)는 차세대 자동차 개발에 있어서 가장 도전적인 목표 중 하나다. 하이브리드 자동차는 운전의 역동성과 편의성을 희생시키지 않으면서 지속적으로 연료 소모와 배기가스를 줄여 나갈 것이다. 증가하는 전자 시스템의 복잡성에 대응하기 위해서는 수용 가능한 품질 수준을 달성하는 데 있어서 이전과는 다른 접근법이 반드시 필요하다. 물리적 시뮬레이션을 통해 설계자들은 특정 애플리케이션을 위한 부품을 설계할 수 있다. 이를 통해 비용을 절감하는 동시에 설계자들은 특정 동작 조건에 대해 디바이스를 최적화시킬 수 있다. 반도체 구조 내에서의 한계 조건들을 시뮬레이션 할 수 있는 능력은 고장 메커니즘을 올바르게 이해하여 고품질의 부품을 설계할 수 있도록 도와준다. 이것은 부품 인증이 무결함(zero defect) 접근법을 지원함으로써 AEC-Q100/101의 한계를 극복할 수 있도록 해주는 새로운 패러다임에 한발 더 다가설 수 있도록 해준다.
운송 분야는 전 세계 CO2 배출량의 약 25%를 차지한다. 휘발유 가격이 상승하고 배기가스 규제가 강화됨에 따라 피에조 직접 분사(Piezo direct injection)와 같은 첨단 기술과 대체 추진 시스템(Propulsion System) 개발이 촉진되고 있다. 전 세계 HEV(Hybrid-Electric Vehicle) 수요는 급속히 증가하고 있다. 2013년까지 HEV는 전 세계 경차 수요의 약 6%, 500만 대 이상의 규모로 성장할 전망이다. 지난 13년 동안 자동차 전자 콘텐츠는 255%까지 증가했다. 전기 구동장치는 이러한 성장을 한층 더 가속화시킬 것이다.
산업용 모터 구동장치에 있어서 IGBT는 인버터를 위한 최상의 스위치이며 하이브리드화 추세에 따라 차량 구동장치 시장을 조만간 독점하게 될 것이다. 하지만 이러한 분야는 사실상 새로운 것이 아니다: IGBT는 이미 차량 점화장치 시장에서 우위를 확보하고 있다. IGBT는 MOS 게이트 제어 전력 스위치다. 셀 구조와 제조 공정이 MOSFET와 매우 유사하다. MOS 게이트 채널은 2개의 N(+)형 영역에 연결되어 P-형 웨이퍼 상에 성장된 N형 에피 레이어 내에서 인접한 P-웰(well)에 내장된다. 이것은 프랭크 휘틀리(Frank Wheatley)에 의해 약 25년 전에 발명된 전통적인 PT(punch-trough) IGBT 구조이다. 그림 1은 기본적인 구조와 IGBT의 등가회로다. N형 플롯 존(float zone) 재료에서 출발하여 상측 처리 및 웨이퍼 연마(wafer thinning) 후에 P(+) 임플란트를 추가함으로써 NPT(Non-Punch-Thru)를 생성한다.
PT IGBT와 NPT IGBT 모두 이러한 추가 P+ 레이어는 MOSFET 구조와 중요한 차이점이 있는데, 해당 영역에 바이폴라 트랜지스터 특성과 매우 유사한 높은 전도성을 유도하는 고저항 N-에피-레이어에 대한 정공(hole) 접합을 지원하기 때문이다. 결과적으로 IGBT는 BJT(Bipolar Junction Transistor)의 낮은 전도 손실과 MOSFET의 높은 임피던스 게이트 및 고속 스위칭 특성을 통합하고 있다. IGBT는 작은 다이 영역과 게이트 전하를 낮은 온-상태 손실과 결합하고 있기 때문에 전원공급장치 및 구동장치 시장을 빠른 시일 내에 지배하게 될 것이다. 하지만 높은 전류 밀도로 인해, 특히 고전류 조건에서 게이트 구동 파라미터를 설정하는 데 있어 턴-오프 동작에 세심한 주의를 기울일 필요가 있다. 또한 이것은 자동차 점화장치의 자체-클램핑 애플리케이션에도 적용된다.

유한요소분석 방법의 집중적인 사용과 결합된 IGBT에 대한 집중 벤치 테스트를 통해 정교한 설계 툴과 정확한 물리적 모델을 개발할 수 있다. 이러한 활동은 고장 메커니즘에 대한 설명을 가능케 하며, 심지어 지정된 한계 밖의 실제 애플리케이션 조건에서도 설계자들이 IGBT 동작을 예측할 수 있도록 해준다.

그림 2는 IGBT 고장을 시뮬레이션 한 결과이다. 그림 중앙에 표면으로부터 65 μm 깊이에서 IGBT 구조를 나타냈으며, 우측에는 위쪽 14 μm에 대한 온도 분포와 전류 흐름 라인(flow line)을 나타내었다. 좌측에는 열 생성 누설 전류가 PNP 베이스 전류를 구조로 공급되는 것을 나타내었다. 이러한 조건에서는 게이트 제어 기능이 상실되는데, IGBT가 게이트 제어에서 벗어난 상태로 유지된다는 것을 의미한다. 다음으로 과도 전류가 추가적인 온도 상승을 일으켜 디바이스를 물리적으로 파괴한다.
현재의 시뮬레이션 성능은 셀 구조에 대해 상당히 정확한 재현을 제공할 수 있기 때문에 반복적인 최적화 공정을 팹 사이클 타임으로부터 근본적으로 분리시킬 수 있다. 이전에는 시험용 웨이퍼를 처리하는 데 수 주에서 수 개월이 소요되었지만, 일단 디바이스 구조를 모델링하고 나면 “버추얼 웨이퍼 런(virtual wafer run)”을 통해 단지 두서너 시간의 연산으로 완료할 수 있다. 우수한 기능은 혼합 모드 시뮬레이션을 통해 외부 애플리케이션 회로를 반도체 디바이스의 내부 물리적 구조 모델에 통합할 수 있다는 것이다. 정공 및 전자의 흐름과 같은 측정이 불가능한 파라미터들에 대해서도 접근이 가능하다. 이러한 지식을 활용하여 낮은 포화 전류에서 단위 면적 반도체 당 최대의 에너지 성능을 달성할 수 있도록 페어차일드의 4세대 에코스파크 점화 IGBT(Generation 4 EcoSpark짋 ignition IGBT) 셀 구조와 에지 설계를 최적화할 수 있었다. 뿐만 아니라, 이제 자가 정렬 P+ 임플란트 스텝을 통해 제조 공정의 변동에 대한 민감성을 줄일 수 있다. 현재 동일한 방법을 새로운 모든 차량용 IGBT 설계에 적용하여 특정 미션 프로파일(mission profile)에 따라 디바이스를 최적화하고 있다.
연료 효율의 향상과 환경 친화적인 운송 수단에 대한 요구는 차량의 전자 콘텐츠를 증가시키고 있다. 1995년부터 2008년까지 차량 대수는 144% 증가한 반면, 반도체 콘텐츠의 성장은 같은 기간 425%를 기록했다. 전자 시스템의 증가하는 복잡성을 극복하기 위해서 다른 설계 및 인증 프로세스에 대해 수용 가능한 품질 수준을 달성할 수 있는 이전과는 다른 설계법이 필요하다. 기존에 발표된 절차들은 AEC Q100/101의 한계가 극복해야 하는 무결함 접근법을 지원하는 데 있어서 더 이상 충분치 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해 페어차일드는 2004년부터 BIR(Built-In-Reliability) 이니셔티브를 시작했다.
페어차일드 반도체가 사용했던 전통적인신뢰성 인증 접근법은 기존 JEDEC(JESD47)과 AEC 산업 표준(AEC Q100/101)에 기반하고 있다. 그림 3에 QS9000/TS16949 APQP (Advanced Product Quality Planning) 방법론을 따르는 전통적인 접근법을 나타냈다.

신뢰성 테스트는 주로 인증 단계로 제약되며, “적합/부적합” 인증 요건으로서 적용된다. 문제는 단지 특정 표준에 대한 충족 여부만을 검증하기 때문에 부적절한 샘플 통계 자료로 인해 어려움을 겪는다는 것이다. AEC-Q101에 따르면, 로트 3개에서 각각 77개의 샘플 규모가 요구된다. 모든 디바이스가 통과하는 경우에도 이것은 단지 품질 수준이 1000 ppm을 크게 벗어나지 않을 것이라는 사실만을 확인해준다. 95%의 신뢰도로 100 ppm의 ppm 수준을 검증하기 위해서는 30,000개의 디바이스에 대해 신뢰성 테스트를 수행해야 하며, 이러한 접근법은 완전히 비현실적이라는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 심지어 보다 많은 수의 샘플을 사용하더라도 잠재 고장 메커니즘에 대한 민감도를 이해하는 것은 어렵다. 이러한 딜레마로부터 벗어날 수 있는 방법은 무엇인가?
페어차일드의 BIR(Built-In Reliability) 접근법은 FMDRC(Failure Mechanism Driven Reliability Characterization)라는 추가적인 절차들을 기술 개발 과정에 통합하고, 매버릭 유닛(Maverick Unit) 테스트 기준 역시 기존 테스트 프로그램에 통합했다. BIR 활동의 1차적인 목적은 개발된 모든 페어차일드 제품이 현장에서 사용되는 기간 동안 적절한 성능을 제공하도록 보장하는 것이다.