【導(dǎo)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(hù)電路應(yīng)用中慢速關(guān)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(yīng)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(guān)鍵詞:過流,過壓,熱點,線性區(qū), 過電性應(yīng)力
0 前言
目前,功率MOSFET管廣泛地應(yīng)用于開關(guān)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(guān)斷的過程中,從而為設(shè)計工程師提供一些依據(jù),來找到系統(tǒng)設(shè)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(guān)來控制,將60V的電壓直接加到AON6240的D和S極,熔絲用來保護(hù)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(guān)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(guān)A,合上開關(guān)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。
(a):過電壓測試
(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。
(a):過電壓損壞
(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(dǎo)致功率MOSFET內(nèi)部寄生三極管的導(dǎo)通[1],由于三極管具有負(fù)溫度系數(shù)特性,當(dāng)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(dǎo)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(dān)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。
(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(yīng)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(hù)電路工作,將功率MOSFET關(guān)斷,這樣,在關(guān)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(jìn)入雪崩發(fā)生過壓的損壞形態(tài)。
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(yuǎn)離S極,和上面的分析類似,在關(guān)斷的過程,距離G極越遠(yuǎn)的位置,在瞬態(tài)關(guān)斷過程中,VGS的電壓越高,承擔(dān)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(hù)電路板上,通常,負(fù)載發(fā)生短線或過流電,保護(hù)電路將關(guān)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(hù)快速關(guān)斷方式不同,功率MOSFET以非常慢的速度關(guān)斷,如下圖5所示,功率MOSFET的G極通過一個1M的電阻,緩慢關(guān)斷。從VGS波形上看到,米勒平臺的時間高達(dá)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(dāng)功率MOSFET工作在線性區(qū)時,它是負(fù)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(dǎo)致溫度更一步增加,然后過熱損壞??梢钥闯?,其損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(yuǎn),損壞同樣發(fā)生的關(guān)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。
(a) :電池保護(hù)板電路 (b):工作波形
(c):失效圖片
圖5:電池保護(hù)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(jìn)入線性區(qū)工作。在進(jìn)行動態(tài)老化測試的時候,功率MOSFET不斷的進(jìn)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(guān)機的重復(fù)測試,電流ID=3,工作頻率8Hz重復(fù)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(yīng)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(dāng)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。
(a):失效圖片 (b):失效圖片
(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(yīng)用中,通常先發(fā)生過流,短路保護(hù)MOSFET關(guān)斷后,又經(jīng)歷雪崩過壓的復(fù)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(yuǎn),關(guān)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)