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功率MOSFET損壞模式及分析

發(fā)布時間:2020-02-18 責任編輯:lina

【導讀】本文結(jié)合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài),論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下?lián)p壞的模式,并說明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因,也分析了功率MOSFET管在關斷及開通過程中,發(fā)生失效形態(tài)的差別,從而為失效是在關斷還是在開通過程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。
    
摘要
本文結(jié)合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài),論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下?lián)p壞的模式,并說明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因,也分析了功率MOSFET管在關斷及開通過程中,發(fā)生失效形態(tài)的差別,從而為失效是在關斷還是在開通過程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。同時,也分析了功率MOSFET管在動態(tài)老化測試中慢速開通及在電池保護電路應用中慢速關斷時,較長時間工作在線性區(qū)時,損壞的形態(tài)。最后,結(jié)合實際的應用,論述了功率MOSFET通常會產(chǎn)生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機理和過程。
 
關鍵詞:過流,過壓,熱點,線性區(qū), 過電性應力
 
0 前言
目前,功率MOSFET管廣泛地應用于開關電源系統(tǒng)及其它的一些功率電子電路中,然而,在實際的應用中,通常,在一些極端的邊界條件下,如系統(tǒng)的輸出短路及過載測試,輸入過電壓測試以及動態(tài)的老化測試中,功率MOSFET有時候會發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導體原廠做失效分析后,得到的失效分析報告的結(jié)論通常是過電性應力EOS,無法判斷是什么原因?qū)е翸OSFET的損壞。
 
本文將通過功率MOSFET管的工作特性,結(jié)合失效分析圖片中不同的損壞形態(tài),系統(tǒng)的分析過電流損壞和過電壓損壞,同時,根據(jù)損壞位置不同,分析功率MOSFET管的失效是發(fā)生在開通的過程中,還是發(fā)生在關斷的過程中,從而為設計工程師提供一些依據(jù),來找到系統(tǒng)設計的一些問題,提高電子系統(tǒng)的可靠性。
 
1、過電壓和過電流測試電路
 
過電壓測試的電路圖如圖1(a)所示,選用40V的功率MOSFET:AON6240,DFN5*6的封裝。其中,所加的電源為60V,使用開關來控制,將60V的電壓直接加到AON6240的D和S極,熔絲用來保護測試系統(tǒng),功率MOSFET損壞后,將電源斷開。測試樣品數(shù)量:5片。
 
過電流測試的電路圖如圖2(b)所示,選用40V的功率MOSFET:AON6240,DFN5*6的封裝。首先合上開關A,用20V的電源給大電容充電,電容C的容值:15mF,然后斷開開關A,合上開關B,將電容C的電壓加到功率MOSFET的D和S極,使用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個電壓幅值為4V、持續(xù)時間為1秒的單脈沖,加到功率MOSFET的G極。測試樣品數(shù)量:5片。
 
 
功率MOSFET損壞模式及分析 
(a):過電壓測試
 
功率MOSFET損壞模式及分析
(b):過電流測試
圖1::測試電路圖
 
2、過電壓和過電流失效損壞
 
將過電壓和過電流測試損壞的功率MOSFET去除外面的塑料外殼,對露出的硅片正面失效損壞的形態(tài)的圖片,分別如圖2(a)和圖2(b)所示。
 
功率MOSFET損壞模式及分析
(a):過電壓損壞
 
功率MOSFET損壞模式及分析
(b):過電流損壞
圖2:失效圖片
 
從圖2(a)可以看到:過電壓的失效形態(tài)是在硅片中間的某一個位置產(chǎn)生一個擊穿小孔洞,通常稱為熱點,其產(chǎn)生的原因就是因為過壓而產(chǎn)生雪崩擊穿,在過壓時,通常導致功率MOSFET內(nèi)部寄生三極管的導通[1],由于三極管具有負溫度系數(shù)特性,當局部流過三極管的電流越大時,溫度越高,而溫度越高,流過此局部區(qū)域的電流就越大,從而導致功率MOSFET內(nèi)部形成局部的熱點而損壞。
 
硅片中間區(qū)域是散熱條件最差的位置,也是最容易產(chǎn)生熱點的地方,可以看到,上圖中,擊穿小孔洞即熱點,正好都位于硅片的中間區(qū)域。
 
在過流損壞的條件下,圖2(b )的可以看到:所有的損壞位置都是發(fā)生的S極,而且比較靠近G極,因為電容的能量放電形成大電流,全部流過功率MOSFET,所有的電流全部要匯集中S極,這樣,S極附近產(chǎn)生電流 集中,因此溫度最高,也最容易產(chǎn)生損壞。
 
注意到,在功率MOSFET內(nèi)部,是由許多單元并聯(lián)形成的,如圖3(a)所示,其等效的電路圖如圖3(b )所示,在開通過程中,離G極近地區(qū)域,VGS的電壓越高,因此區(qū)域的單元流過電流越大,因此在瞬態(tài)開通過程承擔更大的電流,這樣,離G極近的S極區(qū)域,溫度更高,更容易因過流產(chǎn)生損壞。
 
功率MOSFET損壞模式及分析
(a) :內(nèi)部結(jié)構(gòu)     (b):等效電路
圖3:功率MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路
 
3、過電壓和過電流混合失效損壞
 
在實際應用中,單一的過電流和過電流的損壞通常很少發(fā)生,更多的損壞是發(fā)生過流后,由于系統(tǒng)的過流保護電路工作,將功率MOSFET關斷,這樣,在關斷的過程中,發(fā)生過壓即雪崩。從圖4可以看到功率MOSFET先過流,然后進入雪崩發(fā)生過壓的損壞形態(tài)。
 
功率MOSFET損壞模式及分析
圖4:過流后再過壓損壞形態(tài)
 
可以看到,和上面過流損壞形式類似,它們也發(fā)生在靠近S極的地方,同時,也有因為過壓產(chǎn)生的擊穿的洞坑,而損壞的位置遠離S極,和上面的分析類似,在關斷的過程,距離G極越遠的位置,在瞬態(tài)關斷過程中,VGS的電壓越高,承擔電流也越大,因此更容易發(fā)生損壞。
 
4、線性區(qū)大電流失效損壞
 
在電池充放電保護電路板上,通常,負載發(fā)生短線或過流電,保護電路將關斷功率MOSFET,以免電池產(chǎn)生過放電。但是,和通常短路或過流保護快速關斷方式不同,功率MOSFET以非常慢的速度關斷,如下圖5所示,功率MOSFET的G極通過一個1M的電阻,緩慢關斷。從VGS波形上看到,米勒平臺的時間高達5ms。米勒平臺期間,功率MOSFET工作在放大狀態(tài),即線性區(qū)。
 
功率MOSFET工作開始工作的電流為10A,使用器件為AO4488,失效的形態(tài)如圖5(c)所示。當功率MOSFET工作在線性區(qū)時,它是負溫度系數(shù)[2],局部單元區(qū)域發(fā)生過流時,同樣會產(chǎn)生局部熱點,溫度越高,電流越大,導致溫度更一步增加,然后過熱損壞??梢钥闯觯鋼p壞的熱點的面積較大,是因為此區(qū)域過一定時間的熱量的積累。
 
另外,破位的位置離G極較遠,損壞同樣發(fā)生的關斷的過程,破位的位置在中間區(qū)域,同樣,也是散熱條件最差的區(qū)域。
 
在功率MOSFET內(nèi)部,局部性能弱的單元,封裝的形式和工藝,都會對破位的位置產(chǎn)生影響。
 
功率MOSFET損壞模式及分析
(a) :電池保護板電路    (b):工作波形
 
功率MOSFET損壞模式及分析
(c):失效圖片
圖5:電池保護電路板工作波形及MOSFET失效形態(tài)
 
一些電子系統(tǒng)在起動的過程中,芯片的VCC電源,也是功率MOSFET管的驅(qū)動電源建立比較慢,如在照明中,使用PFC的電感繞組給PWM控制芯片供電,這樣,在起動的過程中,功率MOSFET由于驅(qū)動電壓不足,容易進入線性區(qū)工作。在進行動態(tài)老化測試的時候,功率MOSFET不斷的進入線性區(qū)工作,工作一段時間后,就會形成局部熱點而損壞。
 
使用AOT5N50作測試,G極加5V的驅(qū)動電壓,做開關機的重復測試,電流ID=3,工作頻率8Hz重復450次后,器件損壞,波形和失效圖片如圖6(b)和(c)所示??梢钥吹?,器件形成局部熱點,而且離G極比較近,因此,器件是在開通過程中,由于長時間工作線性區(qū)產(chǎn)生的損壞。
 
圖6(a)是器件 AOT5N50應用于日光燈電子鎮(zhèn)流器的PFC電路,系統(tǒng)在動態(tài)老化測試過程生產(chǎn)失效的圖片,而且測試實際的電路,在起動過程中,MOSFET實際驅(qū)動電壓只有5V左右,MOSFET相當于有很長的一段時間工作在線性區(qū),失效形態(tài)和圖6(b)相同。
 
功率MOSFET損壞模式及分析
(a):失效圖片    (b):失效圖片
 
功率MOSFET損壞模式及分析
(c):失效波形
圖6:MOSFET開通工作在線性區(qū)工作波形及失效形態(tài)
 
5、結(jié)論
 
(1)功率MOSFET單一的過電壓損壞形態(tài)通常是在中間散熱較差的區(qū)域產(chǎn)生一個局部的熱點,而單一的過電流的損壞位置通常是在電流集中的靠近S極的區(qū)域。實際應用中,通常先發(fā)生過流,短路保護MOSFET關斷后,又經(jīng)歷雪崩過壓的復合損壞形態(tài)。
(2)損壞位置距離G極近,開通過程中損壞的幾率更大;損壞位置距離G極遠,關斷開通過程中損壞幾率更大。
 
(3)功率MOSFET在線性區(qū)工作時,產(chǎn)生的失效形態(tài)也是局部的熱點,熱量的累積影響損壞熱點洞坑的大小。
 
(4)散熱條件是決定失效損壞發(fā)生位置的重要因素,芯片的封裝類型及封裝工藝影響芯片的散熱條件。另外,芯片生產(chǎn)工藝產(chǎn)生單元性能不一致而形成性能較差的單元,也會影響到損壞的位置。
(來源:21ic電子網(wǎng),作者:劉松)
 
 
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